композиційні матеріали

Композиційні матеріали - штучно створені матеріали, які складаються з двох або більше компонентів, що розрізняються за складом і розділених вираженою кордоном, і які мають нові властивості, запроектовані заздалегідь.

Компоненти композиційного матеріалу різні по геометричному ознакою. Компонент, безперервний у всьому обсязі композиційного матеріалу, називається матрицею. Компонент переривчастий, розділений в обсязі композиційного матеріалу, називається арматурою. Матриця надає необхідну форму виробу, впливає на створення властивостей композиційного матеріалу, захищає арматуру від механічних пошкоджень та інших впливів середовища.

Як матриць в композиційних матеріалах можуть бути використані метали і їх сплави. полімери органічні і неорганічні, керамічні, вуглецеві та інші матеріали. Властивості матриці визначають технологічні параметри процесу отримання композиції і її експлуатаційні властивості. щільність, питому міцність, робочу температуру, опір втомного руйнування і впливу агресивних середовищ. Армуючі або зміцнюючі компоненти рівномірно розподілені в матриці. Вони, як правило, мають високу міцність. твердістю і модулем пружності і за цими показниками значно перевершують матрицю. Замість терміна армирующий компонент можна використовувати термін наповнювач.

Класифікація композиційних матеріалів

За геометрії наповнювача композиційні матеріали підрозділяються на три групи:

з нульмерние наповнювачами, розміри яких в трьох вимірах мають один і той же порядок;
з одновимірними наповнювачами, один з розмірів яких значно перевищує два інших;
з двомірними наповнювачами, два розміри яких значно перевищують третій.

За схемою розташування наповнювачів виділяють три групи композиційних матеріалів:

з одноосьовим (лінійним) розташуванням наповнювача у вигляді волокон, ниток, ниткоподібних кристалів у матриці паралельно один одному;
з двохосьовим (площинним) розташуванням армуючого наповнювача, матів з ниткоподібних кристалів, фольги в матриці в паралельних площинах;
з тривісним (об'ємним) розташуванням армуючого наповнювача і відсутністю переважного напрямку в його розташуванні.

За природою компонентів композиційні матеріали поділяються на чотири групи:

композиційні матеріали, що містять компонент з металів або сплавів;
композиційні матеріали, що містять компонент з неорганічних сполук оксидів, карбідів, нітридів та ін .;
композиційні матеріали, що містять компонент з неметалічних елементів, вуглецю, бору та ін .;
композиційні матеріали, що містять компонент з органічних сполук епоксидних, поліефірних, фенольних і ін.

Властивості композиційних матеріалів залежать не тільки від фізико-хімічних властивостей компонентів, але і від міцності зв'язку між ними. Максимальна міцність досягається, якщо між матрицею і арматурою відбувається утворення твердих розчинів або хімічних сполук.

У композиційних матеріалах з нульмерние наповнювачем найбільшого поширення набула металева матриця. Композиції на металевій основі упрочняются рівномірно розподіленими дисперсними частками різної дисперсності. Такі матеріали відрізняються ізотропності властивостей.

У таких матеріалах матриця сприймає все навантаження, а дисперсні частинки наповнювача перешкоджають розвитку пластичної деформації. Ефективне зміцнення досягається при вмісті 5 ... 10% частинок наповнювача. Армуючими наповнювачами служать частки тугоплавких оксидів, нітридів, боридів, карбідів. Дисперсійно зміцнені композиційні матеріали отримують методами порошкової металургії або вводять частинки армирующего порошку в рідкий розплав металу або сплаву.

Промислове застосування знайшли композиційні матеріали на основі алюмінію. зміцнені частками оксиду алюмінію (Al2 O3). Їх отримують пресуванням алюмінієвої пудри з подальшим спіканням (САП). Переваги САП проявляються при температурах вище 300 o С, коли алюмінієві сплави разупрочняется. Дисперсійно зміцнені сплави зберігають ефект зміцнення до температури 0,8 Тпл.

Сплави САП задовільно деформуються, легко обробляються різанням, зварюються аргонодуговой і контактним зварюванням. З САП випускають напівфабрикати у вигляді листів, профілів, труб, фольги. З них виготовляють лопатки компресорів, вентиляторів і турбін, поршневі штоки.

У композиційних матеріалах з одновимірними наповнювачами упрочнителями є одномірні елементи в формі ниткоподібних кристалів, волокон, дроту, які скріплюються матрицею в єдиний моноліт. Важливо, щоб міцні волокна були рівномірно розподілені в пластичної матриці. Для армування композиційних матеріалів використовують безперервні дискретні волокна з розмірами в поперечному перерізі від часток до сотень мікрометрів.

Матеріали, армовані ниткоподібними монокристалами, були створені на початку сімдесятих років для авіаційних і космічних конструкцій. Основним способом вирощування ниткоподібних кристалів є вирощування їх з перенасиченого пара (ПК-процес). Для виробництва особливо високоміцних нитковидних кристалів оксидів і інших з'єднань здійснюється зростання по П-Ж-К - механізму: спрямований зростання кристалів відбувається з пароподібного стану через проміжну рідку фазу.

Здійснюється створення ниткоподібних кристалів витягуванням рідини через фільєри. Міцність кристалів залежить від перетину і гладкості поверхні.

Композиційні матеріали цього типу перспективні як високожаропрочние матеріали. Для збільшення ККД теплових машин лопатки газових турбін виготовляють з нікелевих сплавів, армованих нитками сапфіра (Al2 O3), це дозволяє значно підвищити температуру на вході в турбіну (межа міцності сапфірових кристалів при температурі 1680 o С вище 700 МПа).

Армування сопел ракет з порошків вольфраму і молібдену виробляють кристалами сапфіра як у вигляді повсті, так і окремих волокон, в результаті цього вдалося подвоїти міцність матеріалу при температурі 1650 o С. армування пропиточного полімеру стеклотекстолитов ниткоподібними волокнами збільшує їх міцність. Армування литого металу знижує його крихкість в конструкціях. Перспективно зміцнення скла неорієнтованими ниткоподібними кристалами.

Для армування композиційних матеріалів застосовують металевий дріт з різних металів: стали різного складу, вольфраму, ніобію, титану. магнію - в залежності від умов роботи. Сталевий дріт переробляється в ткані сітки, які використовуються для отримання композиційних матеріалів з орієнтацією арматури в двох напрямках.

Для армування легких металів застосовуються волокна бору, карбіду кремнію. Особливо цінними властивостями володіють вуглецеві волокна, їх застосовують для армування металевих, керамічних і полімерних композиційних матеріалів.

Евтектичні композиційні матеріали - сплави евтектичного або близького до евтектичних складу, в яких упрочняющей фазою виступають орієнтовані кристали, які утворюються в процесі спрямованої кристалізації. На відміну від звичайних композиційних матеріалів, евтектичних отримують за одну операцію. Спрямована орієнтована структура може бути отримана на вже готових виробах. Форма утворюються кристалів може бути у вигляді волокон або пластин. Способами спрямованої кристалізації отримують композиційні матеріали на основі алюмінію. магнію. міді. кобальту, титану. ніобію та інших елементів, тому вони використовуються в широкому інтервалі температур.

Полімерні композиційні матеріали. Особливістю є те, що матрицю утворюють різні полімери, службовці сполучними для арматури, яка може бути у вигляді волокон, тканини, плівок, склотекстоліти. Формування полімерних композиційних матеріалів здійснюється пресуванням, литтям під тиском, екструзією, напиленням.

Широке застосування знаходять змішані полімерні композиційні матеріали, куди входять металеві та полімерні складові, які доповнюють один одного за властивостями. Наприклад, підшипники, що працюють в умовах сухого тертя, виготовляють з комбінації фторопласта і бронзи, що забезпечує самосмазиваемость і відсутність повзучості.

Створені матеріали на основі поліетилену, полістиролу з наповнювачами у вигляді азбесту та інших волокон, що володіють високими міцністю і жорсткістю.