7.2. Дисперсноупрочняемые композиционные материалы

При дисперсном упрочнении частицы блокируют процессы скольжения в матрице. Эффективность упрочнения при условии минимального взаимодействия с матрицей зависит от вида час­тиц, их объемной концентрации, а также от равномерности рас­пределения в матрице. Применяют дисперсные частицы туго­плавких фаз типа А1₂О3, SiO₂, BN, SiC, имеющие малую плотность и высокий модуль упругости. КМ обычно получают методом по­рошковой металлургии, важным преимуществом которого явля­ется изотропность свойств в различных направлениях.

В промышленности обычно применяют дисперсноупрочнен­ные КМ на алюминиевой и реже - никелевой основах. Характер­ными представителями этого вида композиционных материалов являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые состоят из алюминиевой матрицы, упрочненной дис­персными частицами оксида алюминия.

7.3. Волокнистые композиционныые материалы

Помимо обеспечения прочности и монолитности конструкции матрица должна иметь необходимую пластичность и быть работо­способной в той температурной области, для которой предназна­чен КМ.

Для изготовления КМ, применяемых при температурах ниже 200 °С, используют полимерные матрицы. К таким композитам относятся стеклопластики, армированные короткими стеклянными бумага волокнами в матрице из полиэфирной смолы. Стеклопластики применяют для изготовления корпусов автомобилей, лодок, неко­торых бытовых приборов. В качестве матриц также используют термореактивные полимеры, в которых поперечные связи между основными цепями формируют жесткую структуру с трехмерной сеткой. Такими полимерами являются эпоксидные смолы, кото­рые благодаря поперечным связям имеют более высокую термо­стойкость. На рис. 9 схематически показан способ изготовле­ния такого композита. Волокна сматывают с бобин, подвергают поверхностной обработке, улучшающей адгезию, протягивают в ванну, где их покрывают полимерной смолой. Смола скрепляет волокна в плоский жгут - ленту. Готовые ленты собирают в слои­стый листовой материал (аналог фанеры) или же наматывают в более сложные формы. Собранный в листы или намотанный мате­риал отверждают термообработкой. Слои можно накладывать по­очередно с разным направлением волокон и формировать в компо­зите клетчатую структуру арматуры. Это придает материалу же­сткость.

Рис. 9. Схема изготовления композиционного материала

Недостатком такого композита является отсутствие попереч­ного армирования в каждом отдельном слое и между слоями. По­этому материал может расслаиваться. К тому же появившаяся трещина в объемном образце из такого КМ легко находит путь распространения между слоями. Для устранения этих недостат­ков изготавливают тканые КМ.

Для работы при более высоких температурах применяют ме­таллические матрицы. Обычно используют металлы с малой плот­ностью: алюминий, реже − магний, титан.

Металлические КМ обладают рядом преимуществ перед поли­мерными. Помимо более высокой рабочей температуры, они ха­рактеризуются лучшей изотропией и большей стабильностью свойств в процессе эксплуатации, более высокой эрозионной стой­костью.

Пластичность металлических матриц сообщает конструкции необходимую вязкость. Это способствует быстрому выравниванию локальных механических нагрузок.

Высокая теплопроводность металлических КМ предохраняет от локальных перегревов, что особенно важно для таких изделий, как наконечники ракет и ведущие кромки крыльев.

Высокая электропроводность металлических КМ хорошо за­щищает их от электромагнитного излучения, молнии, снижает опасность статического электричества.

Важным преимуществом металлических КМ является более высокая технологичность процесса изготовления, формовки, тер­мообработки, формирования соединений и покрытий.

Для наиболее высоких рабочих температур в качестве матрич­ного материала применяют керамику. Ее основной недостаток − отсутствие пластичности − в некоторой степени компенсируется армирующими волокнами, тормозящими распространение тре­щин в керамике.

Использование в качестве матричного материала аморфного углерода, а в качестве армирующего материала - волокон из кри­сталлического углерода (графита) позволило создать композит, выдерживающий нагрев до 2500 °С. Такой углерод-углеродный композит перспективен для космонавтики и заатмосферной авиа­ции. Толчком к интенсивному использованию углерод-углеродных композитов в США послужили работы по программе создания космических кораблей многоразового использования. Недостаток углеродной матрицы состоит в возможном окислении и абляции. Для предотвращения этих явлений композит покрывают тонким слоем карбида кремния.

Таким образом, наиболее важным критерием выбора матрич­ного материала является рабочая температура эксплуатации ком­позита.

Помимо высокой прочности и жесткости, основными требова­ниями, предъявляемыми к волокнам для КМ, является хорошее смачивание материала волокна расплавленной матрицей в про­цессе изготовления композита. Важными условиями являются слабое взаимодействие волокна с материалом матрицы и его вы­сокая окислительная стойкость.

Для армирования металлических КМ обычно используют не­прерывные волокна: углеродные (УВ), борные (В), оксида алюми­ния (А1₂О₃), карбида кремния (SiC), карбида бора (В₄С), нитрида бора (BN), диборида титана (TiB₂), оксида кремния (SiO₂). Также в качестве волокон применяют металлическую тонкую проволоку, полученную методом волочения из стали, вольфрама, титана, мо­либдена и бериллия. Реже используют нитевидные специально выращенные кристаллы разных материалов.

Наибольшее распространение для армирования металличе­ских КМ получили непрерывные или дискретные углеродные и борные волокна.

Волокна бора обычно получают осаждением бора из газовой фазы при диссоциации его галоидных соединений, например трех-хлористого бора ВС1₃. Бор осаждается на основу из тонкой (12 мкм) вольфрамовой нити, нагретой до 1100 − 1200°С. В процессе осаж­дения бор диффундирует в вольфрамовую основу, образуя бориды вольфрама в сердцевине волокна. Время пребывания волокна в реакционной камере составляет 1 − 2 мин. Общий диаметр борного волокна составляет 100 − 150 мкм.

Сырьем для получения высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон являются такие полимеры с высоким содер­жанием углерода, как полиакрилонитрил (ПАН), и реже − пек и вискоза. ПАН-волокно выдавливают через малые отверстия и подвергают пиролизу в инертной атмосфере при температуре око­ло 2000 °С. Углеродные волокна выпускают в виде нитей, содер­жащих до 10000 элементарных волокон, диаметр которых состав­ляет около 7 мкм. Модуль и прочность волокна не изменяется при нагреве его до 600 °С.

Композиты получают разными методами. К ним относятся пропитка пучка волокон жидкими расплавами алюминия и маг­ния, плазменное напыление, применение методов горячего прес­сования иногда с последующей гидроэкструзией или прокаткой заготовок. При армировании непрерывными волокнами компо­зиций типа "сэндвич", состоящих из чередующихся слоев алюми­ниевой фольги и волокон, применяют прокатку, горячее прессо­вание, сварку взрывом, диффузионную сварку. Отливку прутков и труб, армированных высокопрочными волокнами, получают из жидкометаллической фазы. Пучок волокон непрерывно про­ходит через ванну с расплавом и пропитывается под давлением жидким алюминием, магнием или жидкой смолой в случае изго­товления полимерного материала. При выходе из пропиточной ванны волокна соединяются и пропускаются через фильеру, формирующую пруток или трубу. Этот метод обеспечивает мак­симальное наполнение композита волокнами (до 85 %), их одно­родное распределение в поперечном сечении и непрерывность процесса.

Для многих видов волокон разработаны технологические про­цессы нанесения покрытий для обеспечения лучшей смачиваемо­сти, окалиностойкости и оптимального взаимодействия волокна с матрицей. Борные волокна защищают от реагирования с распла­вами титана и алюминия созданием на поверхности диффузионного барьера из карбидов кремния или бора. Волокна бора, защищенные карбидом кремния, называют borsic (борсик). Из-за высокой окис­лительной способности углеродных волокон на их поверхность на­носят специальные покрытия, а процессы переработки осуществ­ляют в защитной атмосфере.

Углеродные волокна имеют отрицательное значение темпера­турного коэффициента линейного расширения, благодаря чему появляется возможность при соответствующей укладке волокон получать а, близкий к нулю.

Волокна карбида кремния получают методом химического осаждения из паровой фазы на подложку из борного или углерод­ного волокна. Эти волокна имеют хорошую теплостойкость, стой­кость к окислению и мало реагируют с металлом.