Композиционные Материалы

(композиты) (от лат. Compositio- составление), многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлич., углеродной, керамич. Или др. Основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и св-в наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатац. И технол. Св-в. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные К. М.) или наполнителей разл. Природы (гибридные К. М.) значительно расширяет возможности регулирования св-в К. М. Армирующие наполнители воспринимают осн. Долю нагрузки К. М. По структуре наполнителя К. М. Подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсноупрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц).

Матрица в К. М. Обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и хим. Стойкость. По природе матричного материала различают полимерные, металлич., углеродные, керамич. И др. Композиты. Подробнее о ф-ции матрицы и армирующего наполнителя, а также о технологии получения волокнистых полимерных К. М. См. Армированные пластики. Наиб. Применение в технике получили К. М., армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят. Полимерные К. М. На основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальд., полиимидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), орг.

(органопластики), борными (боропластики) и др. Волокнами. Металлич. К. М. На основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой. К. М. На основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы). К. М. На основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и др. Жаростойкими волокнами и SiC. При использовании углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон, содержащихся в материале в кол-ве 50-70%, созданы композиции (см. Табл.) с уд. Прочностью и уд. Модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкц. Материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые К. М. Превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглоще-нию, ударной вязкости и др.

Св-вам. Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их мех. Характеристики и позволяет повысить т-ру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соед. Используют при создании жаропрочных К. М. На основе Ni, Cr, Co, Ti и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350 °С. При изготовлении металлич. Волокнистых К. М. Нанесение металлич. Матрицы на наполнитель осуществляют в осн. Из расплава материала матрицы, электрохим. Осаждением или напылением. Формование изделий проводят гл. Обр. Методом пропитки каркаса из армирующих волокон расплавом металла под давлением до 10 МПа или соединением фольги (матричного материала) с армирующими волокнами с применением прокатки, прессования, экструзии при нагр.

До т-ры плавления материала матрицы (см. Также Металлополимеры). Один из общих технол. Методов изготовления полимерных и металлич. Волокнистых и слоистых К. М. - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, напр., при создании эвтектич. Жаропрочных сплавов на основе Ni и Со. Легирование расплавов карбидными и интерметаллич. Соед., образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить т-ру их эксплуатации на 60-80 o С. К. М. На основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, хим. Стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах т-р, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000 °С в инертной среде.

О методах получения углерод-углеродных К. М. См. Углепластики. Высокопрочные К. М. На основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлич. И керамич. Дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать К. М., характеризующиеся повыш. Вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких т-рах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значит. Повышению ее прочностных св-в из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости. Армирование дисперсными металлич. Частицами позволяет создать керамико-металлич. Материалы ( керметы), обладающие повыш. Прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам.

При изготовлении керамич. К. М. Обычно применяют горячее прессование, прессование с послед. Спеканием, шликерное литье (см. Также Керамика). Армирование материалов дисперсными металлич. Частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование гл. Обр. Применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с послед. Обычной переработкой слитков в изделия. Введение, напр., ТhO2 или ZrO2 в сплав позволяет получать дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой при 1100-1200 °С (предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов в тех же условиях -1000-1050 °С).

Перспективное направление создания высокопрочных К. М.-армирование материалов нитевидными кристаллами ("усами"), к-рые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. Наиб. Практич. Интерес представляют кристаллы Аl2 О 3, BeO, SiC, B4C, Si3N4, AlN и графита диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока. К. М. На основе эпоксидной матрицы и нитевидных кристаллов ThO2 (30% по массе) имеют s раст 0,6 ГПа, модуль упругости 70 ГПа. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрич.

И магн. Св-в. Выбор и назначение К. М. Во многом определяются условиями нагружения и т-рой эксплуатации детали или конструкции, технол. Возможностями. Наиб. Доступны и освоены полимерные К. М. Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластич. Полимеров обеспечивает широкий выбор К. М. Для работы в диапазоне от отрицат. Т-р до 100-200°С - для органопластиков, до 300-400 °С - для стекло-, угле- и боропластиков. Полимерные К. М. С полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до 120-200°, с феноло-формальдегидной - до 200-300 °С, полиимидной и кремнийорг. - до 250-400°С. Металлич. К. М. На основе Аl, Mg и их сплавов, армированные волокнами из В, С, SiC, применяют до 400-500°С. К. М. На основе сплавов Ni и Со работают при т-ре до 1100-1200 °С, на основе тугоплавких металлов и соед.

- до 1500-1700°С, на оснбве углерода и керамики - до 1700-2000 °С. Использование композитов в качестве конструкц., теплозащитных, антифрикц., радио- и электротехн. И др. Материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все виды К. М. Применяют в хим., текстильной, горнорудной, металлургич. Пром-сти, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и др. Лит. Композиционные материалы волокнистого строения. К., 1970. Пластики конструкционного назначения, М., 1974. Конкин А. А., Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, М., 1974. Композиционные материалы, пер. С англ., т. 1-8, М., 1978.

Наполнители для полимерных композиционных материалов, пер. С англ., М., 1981. Сайфулин Р. С., Неорганические композиционные материалы, М., 1983. Справочник по композиционным материалам, под ред. Д. Любина, пер. С англ., кн. I 2, М., 1988. Основные направления развития композиционных термопластичных материалов, М. 1988. Handbook of composites, sen ed. By A. Kelly, Ju. N. Rabotnov, v. 1, AmsL, 198S. В. Н. Тюкаев.