Лекция 9. Композиционные материалы

Композиционные материалы – сложные или составные мате-

риалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы – стеклопластики), принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.

64

Развитие авиации, ракетно-космическойтехники, ядерной энергетики и многих других отраслей промышленности, а также задача повышения качества выпускаемых изделий потребовали создания новых конструкционных материалов.

Материалы характеризуются высокими прочностью, термостойкостью и жаропрочностью, малой плотностью, теплопроводностью и электропроводимостью, диэлектрическими, магнитными и другими специальными физическими свойствами. Объединение различных ценных свойств отдельных материалов позволило создать единое це-

лое – композицию.

Композицию получают путём введения в основной материал (матрицу) определённого количества другого материала, который добавляется в целях получения специальных свойств.

Композиционными называют сложные материалы в состав которых входят отличающиеся по свойствам, не растворимые друг в друге компоненты. Основой композиционных материалов является сравнительно пластичный материал – компонент, непрерывный во всём объёме композиционного материала, называемыйматрицей. В матрице равномерно распределены более твёрдые и прочные вещества, называемые упрочнителями или наполнителями. Матрица может быть металлической, полимерной, углеродной, керамической. По типу упрочнителя композиционные материалы делятся на дисперсноупрочнённые, в которых упрочнителем служат дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и др., волокнистые, в которых упрочнителем являются волокна различной формы, и слоистые, состоящие из чередующихся слоёв волокон и листов матричного материала.

Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Компонент прерывистый, разделённый в объёме композиционного материала, называется арматурой.

Матрица придаёт требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы.

65

Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и её эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

В последнее время находят широкое применение так называемые гибридные КМ. Гибридными называют КМ, содержащие в своём составе три или более компонентов.

По назначению КМ разделяют на общеконструкционные, термостойкие, пористые, фрикционные и антифрикционные и т.д.

Все КМ условно можно классифицировать по следующим признакам; материалу композиции, типу арматуры и её ориентации, способу получения композиции и изделий из них, по назначению.

Свойства КМ в основном зависят от физико-механическихсвойств компонентов и прочности связи между ними.

Практически всякий современный материал представляет собой композицию, поскольку материалы редко используются в чистом виде.

Физико-механическиесвойства КМ в зависимости от концентрации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии изготовления могут меняться в очень широких пределах. Тем самым открывается возможность специального создания (конструирования) материала с заданными свойствами для определённого изделия.

Отличительной особенностью КМ является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Созданы КМ с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоёв различного химического состава. Поскольку главную роль в упрочнении КМ играют наполнители (компоненты), их часто называют упрочнителями.

Основная функция наполнителя – обеспечить прочность и жёсткость КМ.

Частицы наполнителя должны иметь высокую прочность во всём интервале температур, малую плотность, быть нерастворимыми в матрице и нетоксичными. Армирующими свойствами в КМ являются оксиды, карбиды (обычно – карбид кремния SiC), нитрит кремния (Si3N4), стеклянные или вольфрамовая проволока.

По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно-упрочнён-ные, слоистые и волокнистые.

Дисперсно-упрочнённыминазывают КМ, упрочнённые нульмерными наполнителями (наполнители, имеющие в трёх измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы 1 (рис. 26, п. 1))); волокнистыми – КМ, упрочнённые одномерными (имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в

66

третьем измерении (рис. 26, п. 2)) или одномерными и двумерными наполнителями (у двумерных наполнителей два размера соизмеримы с размером КМ и значительно превосходят третий (рис. 26, п. 3)); слоистые – КМ, упрочнённые двумерными наполнителями.

Рис. 26. Разновидности КМ

Среди дисперсноупрочнённых материалов ведущее место занимает САП (спечённая алюминиевая пудра), представляющий собой алюминий, упрочнённый дисперсными частицами оксида алюминия. Получают САП из окисленной с поверхности алюминиевой пудры путём последовательного брикетирования, спекания и прессования. Структура САП состоит из алюминиевой основы с равномерно распределёнными частицами А12О3. С увеличением содержания А12О3 повышается прочность, твёрдость, жаропрочность САП, но снижается его пластичность. МаркиСАП-1,САП-2,САП-3,САП-4содержат, соответственно, 6…8, 9…12, 13…17, 18…22 % А12О3. Высокая прочность САП объясняется большой дисперсностью упрочнителя и малым расстоянием между его частицами. По жаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы.

В волокнистых композиционных материалах упрочнителем служат углеродные, борные, синтетические, стеклянные и другие волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений (карбиды кремния, оксиды алюминия и др.) или металлическая проволока (стальная, вольфрамовая и др.). Свойства материала зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Для металлических композиционных материалов прочная связь между волокном и матрицей достигается благодаря их взаимодействию. Связь между компонентами в композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Повышение адгезии волокон к матрице достигается их поверхностной обработкой. Производится осаждение нитевидных кристаллов на поверхность волокон. При этом получаются «мохнатые» волокна с улучшенной адгезией, благодаря чему улучшаются механические свойства композиционного материала.

67

Среди неметаллических волокнистых композиционных материалов наибольшее распространение получили материалы с полимерной матрицей. Материалы, содержащие в качестве упрочнителя углеродные волокна, называются карбоволокнитами. Они обладают низкими теплопроводностью и электропроводностью, хорошей износостойкостью. Недостаток карбоволокнитов – низкая прочность при сжатии и сдвиге. Материалы с упрочнителем в виде волокон бора называют бороволокнитами. Они характеризуются высокой прочностью при растяжении, сжатии и сдвиге, высокими твёрдостью и модулем упругости, тепло- и электропроводностью. Материалы, содержащие в качестве упрочнителя синтетические волокна (капрон, лавсан и др.), называются органоволокнитами. Они обладают высокой удельной прочностью в сочетании с хорошей пластичностью и ударной вязкостью, электроизоляционными свойствами.

Волокнистые композиционные материалы на металлической основе имеют более высокие характеристики, зависящие от свойств матрицы. В качестве матрицы используются металлы, имеющие небольшую плотность (алюминий, магний, титан), их сплавы, а также никель для создания жаропрочных материалов. В качестве упрочнителя используют стальную проволоку (наиболее дешёвый материал), борные и углеродные волокна. При создании жаропрочных композиционных материалов на основе никеля используется вольфрамовая проволока.

9.1. Материалы порошковой металлургии Порошковая металлургия – область техники, охватывающая

процессы получения порошков металлов и металлоподобных соединений и процессы изготовления изделий из них без расплавления. Характерной особенностью порошковой металлургии является применение исходного материала в виде порошков, из которых прессованием формуются изделия заданной формы и размеров. Полученные заготовки подвергаются спеканию при температуре ниже температуры плавления основного компонента.

Наибольшее практическое применение имеют способы механического измельчения исходного сырья (стружки, обрезков, скрипа и т.д.). Измельчение проводят в механических мельницах. Размолом получают порошки из легированных сплавов строго заданного химического состава и из хрупких материалов, таких как кремний, бериллий и др.

68

При применении механических способов исходный продукт измельчается без изменения химического состава. К недостаткам механического измельчения следует отнести высокую стоимость порошков, включающую стоимость изготовления исходных литых металлов и сплавов, и относительно низкую производительность процесса.

К физико-химическим способам получения порошков относят восстановление оксидов, осаждение металлического порошка из водного раствора соли и др. Получение порошка связано с изменением химического состава исходного сырья или его состояния в результате химического или физического (но не механического) воздействия на исходный продукт.Физико-химическиеспособы получения порошков в целом более универсальны, чем механические.

Поведение металлических порошков при прессовании и спекании зависит от свойств порошков, которые, в свою очередь, определяются методами и способами их получения.

Дата: 2018-09-13, просмотров: 35.