что собой представляет композиционный материал
Композиционный материал
Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.
Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.
В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.
Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.
В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.
Содержание
Классификация композитов
Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя: [1]
Преимущества композиционных материалов
Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги, которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.
Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.
Недостатки композиционных материалов
Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.
Высокая стоимость
Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.
Анизотропия свойств
Низкая ударная вязкость
Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из КМ, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.
Высокий удельный объем
Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.
Гигроскопичность
Композиционные материалы гигроскопичны, т.е. склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры КМ. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру КМ, разрушает изделие из КМ изнутри (эффект по природе аналогичен разрушению автомобильных дорог в межсезонье). Так одной из возможных причин авиакатастрофы American Airlines Flight 587, в которой от фюзеляжа оторвался композитный киль, названо разрушение структуры композитного киля от периодически замерзавшей в ней воды. Аналогичные примеры отделения композитного киля от фюзеляжа происходили также в России. [2]
КМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин.
Токсичность
При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека (таким примером может послужить композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.
Низкая эксплуатационная технологичность
Композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.
Области применения
Товары широкого потребления
Спортивное оборудование
Машиностроение
В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны).
Характеристика
Технология применяется для формирования на поверхностях в парах трения сталь-резина дополнительных защитных покрытий. Применение технологии позволяет увеличить рабочий цикл уплотнений и валов промышленного оборудования, работающих в водной среде.
Композиционные материалы состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основу неорганических материалов составляют модифицированные различными добавками силикаты магния, железа, алюминия. Фазовые переходы в этих материалах происходят при достаточно высоких локальных нагрузках, близких к пределу прочности металла. При этом на поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок, благодаря чему удается изменить структуру поверхности металла.
Полимерные материалы на основе политетрафторэтиленов модифицируются ультрадисперсными алмазографитовыми порошками, получаемыми из взрывных материалов, а также ультрадисперсных порошков мягких металлов. Пластифицирование материала осуществляется при сравнительно невысоких (менее 300 °C) температурах.
Металлоорганические материалы, полученные из природных жирных кислот, содержат значительное количество кислотных функциональных групп. Благодаря этому взаимодействие с поверхностными атомами металла может осуществляться в режиме покоя. Энергия трения ускоряет процесс и стимулирует появление поперечных сшивок.
Технические характеристики
Защитное покрытие в зависимости от состава композиционного материала может характеризоваться следующими свойствами:
Технико-экономические преимущества
Области применения технологии
Авиация и космонавтика
В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует настоятельная необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.
Вооружение и военная техника
Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) КМ применяются в военном деле для производства различных видов брони:
История композиционных материалов
Композиционный материал – это неоднородный сплошной материал из двух или более компонентов с чёткой разницей между ними. Самый простой пример – обычная клееная фанера. Но есть и гораздо более интересные технологии и материалы, используемые в авиастроении, автомобилестроении и других областях. Подробнее – под хабракатом.
Древние первооткрыватели
Два или более неоднородных материала используют вместе, чтобы создать новый уникальный материал или же улучшить характеристики одного из них. Первое использование этого метода относится к 1500 году до нашей эры, когда в Египте и Месопотамии начали использовать глину и солому для строения зданий. Также солому вносили в состав для укрепления керамических изделий и лодок.
Кирпичи, в которых использовалась слома, называют «саман». Примерно так их делали египтяне:
Следующая веха – это 1200 год нашей эры. Постарались монголы: они создали первый композиционный лук из таких материалов, как древесина, кость и животный клей. Монгольский лук делали обычно из нескольких слоев древесины (в основном это была береза), которые склеивали с помощью животного клея. Роговые накладки помещали на внутренней стороне лука, закрепляя жилами.
Эра пластиков
Не было бы современных композитов, если бы ученые не придумали пластмассы. До этого единственным источником клея и связующих веществ служили природные смолы, которые получали из животных или растений. А в начале XX века разработали винил, полистирол, фенол и полиэстр. Эти материалы значительно превосходили ранее используемые.
Но и пластмассы не могли обеспечить достаточную прочность. Нужно было армирование получше, и в 1935 году фирма Owens/Corning разработала стекловолокно. В сочетании с пластиковыми полимерами оно представляет собой чрезвычайно прочную и при этом очень легкую структуру. Это стало началом армированной полимерной промышленности.
Первая реклама продукта из стекловолокна относится к 1939 году. Это воздушный фильтр компании Owens-Corning.
В 1957 году компания рекламировала шторы из стекловолокна с принтом.
Еще кое-что из 1970 года – панели из стекловолокна для теплоизоляции при строительстве.
Ранние инновации в композиционных материалах: Вторая мировая
Множество изобретений в этой сфере были придуманы во время войн. Как монголы создали свой композиционный лук, так и Вторая мировая война позволила армированным полимерам перекочевать из лабораторий в реальный мир.
Альтернативные материалы, позволяющие снизить вес конечного изделия, были необходимы в военном авиастроении. Очень быстро инженеры поняли преимущества композитов в плане их веса и прочности.
Также инженеры узнали о таком преимуществе композитов из стекловолокна, как радиопроницаемость. И начали применять «обтекатели», защищающие радиомодули от внешних факторов, в том числе ветра.
Во время войны Германия пыталась также разработать самолет-невидимку, задолго до Stealth в США. Тогда необходимо было использовать в корпусе композитный материал, где между слоями фанеры находился бы наполнитель из легкой бальзы – дерева, растущего в Южной Америке. Но в 1944 году этот материал для немцев был недостижим, поэтому пришлось использовать эрзац-композит «формхольц»: между слоями 1,5-миллиметровой фанеры была смесь пропитанных смолой древесных опилок и пористого угля.
Адаптация композитов
В общем, к концу войны небольшая ниша композиционной промышленности была заполнена. И теперь стояла непростая задача: как перейти с военных заказов на продукты мирного назначения.
Среди очевидных вариантов были лодки. Первую лодку с композитным корпусом представили в 1946 году. Примерно в то же время сделали доску для серфинга из стекловолокна. И появился метод “протяжки” – “пултрузия”, используемая в производстве полимерных композиционных материалов.
Вот, например, схема сухой пултрузии. Метод значительно упрощал производство.
Автомобили – еще одно важное направление для полимерных композитов.
В 1954 году в США в продаже появился первый спорткар, корпус которого сделан из стекловолокна: Kaiser-Darrin. Эта машинка разгонялась до 60 миль в час за 15,1 секунды. А максимальная скорость – чуть меньше 100 миль в час, то есть около 160 км/ч.
Такие характеристики стали достижимыми при движке в 90 лошадиных сил во много благодаря небольшому весу автомобиля — около 2200 фунтов, то есть 997 кг.
В 1970-х материалы стали еще лучше и сложнее. Компания DuPont, а именно одна группа под управлением Стефани Кволек, разработала арамидные волокна, известные нам как кевлар. Сейчас это общеизвестный материал, используемый в бронежилетах. Кевлар в пять раз прочнее стали. Создавали его материал для армирования автомобильных шин, он и сейчас применяется в этих целях. Также им армируют медные и волоконно-оптические кабели.
Автомобильная шина Wrangler с использованием кевлара.
Рукав из кевлара с доком для iPhone.
Кевлар применяется и в беспилотном авиастроении. Например, для дополнительной защиты беспилотного летательного аппарата RQ-11 Raven.
Космос и авиация
Алюминий и другие металлы при производстве деталей самолетов заменяют на композиты низкой плотности, что позволяет снизить массу самолетов. Это, в свою очередь, экономит топливо. Так что в гражданской авиации сейчас широко используются композиты.
В Boeing 787 DreamLiner из композитных материалов на основе углерода изготовлены 50% элементов фюзеляжа. Таким образом, этот самолет легче и прочнее обычного лайнера с алюминиевым фюзеляжем.
Двигатель Genx от General Electric также имеет в себе композитные материалы: из них изготовлены корпус, лопатки турбины и форсунки, впрыскивающие топливо в камеру внутреннего сгорания.
Оружие
Карабин Carbon Custom R-93 со сменными стволами.
Приклады для винтовок, выполненные из композитных материалов. Представлены на «Открытых инновациях» в прошлом году российским производителем ХК «Композит».
Современные полимерные композиционные материалы
Немного теории в этот раз. Для армирования используют:
углеродные ткани (карбон);
арамидные ткани (кевлар);
гибридные ткани (карбон + кевлар);
однонаправленные гибридные ткани;
стеклоткани;
мультиаксиальные ткани;
углеродные ленты;
препреги.
Как используют углеродные ткани?
Для изготовления карбоновых деталей применяется как просто углеродное волокно с хаотично расположенными и заполняющими весь объем материала нитями, так и ткань (Carbon Fabric). Наиболее распространены такие виды плетений, как Plain, Twill, Satin.
Плотность ткани, или удельная масса, выраженная в г/м^2, помимо типа плетения зависит от толщины волокна, которая определяется количеством угленитей. Данная характеристика кратна тысячи. Так, аббревиатура 1К означает тысячу нитей в волокне.
Часто мы можем услышать от пацанов на районе автомобилистов, что они «обклеили карбоном авто». Здесь речь на самом деле идет чаще не о полимерных композитах, а об обычной декоративной пленке, сделанной под карбон. Никакого преимущества такая пленка не дает: вес деталей меньше не станет, в прочности тоже она не выиграет. Так что это погоня за модой и желание сделать собственное авто похожим на гоночные машины из Need For Speed.
В строительстве зданий и дорог, для армирования бетонным емкостей и хранилищ используется углепластиковая и стеклопластиковая арматура, инертная ко всем агрессивным средам, обладающая высокой прочностью и ожидаемым сроком службы 75 лет.
Армировать при строительстве и после него можно и с внешней части: используя углеродную ленту, пропитанную двухкомпонентным эпоксидным составом. Картинку лучше, к сожалению, не нашел.
Асфальт можно армировать с помощью добавления в него фибры. Вспомнили солому и глину в начале поста?
Нанотехнологии
Сами полимерные композиты вряд ли можно назвать нанотехнологичными, если нанотехнологии определять как «совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании и производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка 100 нм и меньше), которые приводят к улучшению, либо появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов».
Но в недавнее время на рынок вышли полимерные смолы, выполняющие роль связующего, которые, исходя из процесса их производства, вполне подпадают под определение нанотехнологии.
Медицина
Конечно, изначально военные разработки очень часто превращаются в продукты мирного времени и используются в том числе в медицине.
Начнем со стоматологии. Пломбы вам ставили? С высокой вероятностью это были композиционные материалы. Прямо при вас непосредственно перед установкой врач смешивает компоненты, после чего устанавливает на место и затем держит несколько минут ультрафиолетовую лампу. Это светоотверждаемые пломбы.
Есть и пломбы химического отверждения. Например, стеклоиономерный цемент из порошка и жидкости, в котором порошок — алюмофторсиликатное стекло с фтором, а жидкость — водный раствор полиакриловой кислоты.
Композитные волокна используются при производстве ортезов. Ортез — это специальное приспособление, предназначенное для разгрузки, фиксации, активации или коррекции функций сустава или конечности. Здесь имеются кортезы, бандажи, обувь и другие продукты.
Само собой, протезы также делают из композиционных материалов. В случае с образцами для бегунов это просто необходимо, так как подобную гибкость и прочность другие материалы дать неспособны.
Заключение
Древнейший метод, который помогал делать кирпичи и луки прочнее, в сочетании с современными материалами дает неоценимые преимущества в различных сферах. Среди них авиа- и автомобилестроение, космонавтика, медицина, включая стоматологию и протезирование, и строительство. Даже такая простая вещь, как арматура в бетонных конструкциях, теперь стала более технологичной, выполненной из стеклопластика и углепластика. Пломбы у стоматолога, как я писал выше, также относятся к композитным материалам. Композиционные материалы прочно вошли в нашу жизнь, подчас абсолютно незаметно для нас.
Притом использование этого метода возможно даже в домашних условиях. Я упоминал в одной из прошлых публикаций, что планирую сделать новые моды для своего квадрокоптера. Как только достигну в этом успеха — напишу.
Композиционные материалы
Композиционные или композитные материалы — материалы будущего
Композитные материалы — это искусственно созданные неоднородные материалы, состоящие из двух и более компонентов с четкой границей раздела между ними. Эти компоненты делятся на связующие (матрица), которые обеспечивают защиту поверхности от механических повреждений и агрессивных химических воздействий, и армирующие (наполнители), которые придают материалу прочность и жесткость.
После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов.
Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.
Композиционный материал — конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия.
Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
Типы композиционных материалов
Композиционные материалы с металлической матрицей
Композитные материалы или композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.
Композиционные материалы с неметаллической матрицей
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная.
Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.
Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.
Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60–80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) — 20–30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.
По виду упрочнителя композитные материалы классифицируют настекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты иоргановолокниты.
В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.
Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.
Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей.
Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.
Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях.
Однако создание четырех направленных материалов сложнее, чем трех направленных.
Классификация композиционных материалов
Волокнистые композиционные материалы
Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.
Композитные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50–10%), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.
Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.
Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.
Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.
Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.
Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др.
Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они мало пластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.
Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения.
Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, доборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.
Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы
В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.
Высокая прочность достигается при размере частиц 10–500 нм при среднем расстоянии между ними 100–500 нм и равномерном распределении их в матрице.
Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5–10 об. %.
Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9–0,95 Т [pic]. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.
Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия — САП (спеченный алюминиевый порошок).
Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250–500 °С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С составляет 45–55 МПа.
Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов.
Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2–3 об. % двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно твердый раствор Ni + 20% Cr, Ni + 15% Mo, Ni + 20% Cr и Mo.
Широкое применение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni +20% Cr, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре.
Стекловолокниты
Стекловолокниты — это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.
Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с металлической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и даже волокнитов.
Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.).
При использовании в качестве связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов и т. п.).
Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.
При старении в течение двух лет коэффициент старения К = 0,5–0,7.
Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Из них изготовляют детали высокой прочности, с арматурой и резьбой.
Карбоволокниты
Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).
Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200 °С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6–2,5 раза. Применяется вискеризациянитевидных кристаллов TiO[pic], AlN и Si[pic]N[pic], что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.
Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).
Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненные углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте, висскеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200 °С.
Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-2л получают на эпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300 °С.
Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения [pic] и e почти не изменяются.
Теплопроводность углепластиков в 1,5–2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие электрические свойства: [pic] = 0,0024–0,0034 Ом·см (вдоль волокон); e = 10 и tg =0,001 (при частоте тока 10[pic] Гц).
Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал.
Карбоволокниты с углеродной матрицей
Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару.
Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениям прочности и ударной вязкости в 5–10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200 °С, на воздухе окисляется при 450 °С и требует защитного покрытия.
Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35–0,45), а износ мал (0,7–1 мкм на торможение).
Бороволокниты
Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя — борных волокон.
Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.
Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала.
В качестве матриц для получения боровлокнитов используют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температуре не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.
Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горюче смазочных материалов.
Органоволокниты
Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они мало чувствительны к повреждениям.
К органоволокнитах значения модуля упругости и температурных коэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки.
Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористость не превышает 1–3% (в других материалах 10–20%). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая (400–700 кДж/мІ). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).
Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность — низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100–150 °С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон — при температуре 200–300 °С.
В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.
Экономическая эффективность применения композиционных материалов
Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.
Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.
Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.
Композитные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом. Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.
Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.).
Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электро- радиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и многое другое.