книги / Композиционные материалы

УДК 621.791 Г93

Рецензенты:

канд. техн. наук, доц. Пермской государственной сельскохозяйственной академии А.И. Горчаков; д-р техн. наук, проф. Пермского государственного технического университета И.Л. Синайи

Губарева Э.М.

Г93 Композиционные материалы: Учеб, пособие / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2002. 54 с.

Приведены определения и виды композиционных материалов. Рассмотрены их свойства, способы получения и обработка. Пособие предназначено для само­ стоятельной работы студентов заочного обучения направления 553600 специаль­ ностей 090600, 650700 и 330500 и направления 653200 специальностей 170900 (СДМ) и 150200 (А).

УДК 621.791

Пермский государственный технический университет, 2002

1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Композиционными материалами (КМ) называют материалы, которые образованы объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. Они отличаются свойствами, кото­ рыми не может обладать ни один из компонентов, взятый в отдельности. В композиционных материалах сочетаются лучшие свойства различных со­ ставляющих фаз - прочность, пластичность, износостойкость, малая плотность и т.п.

Композиционные материалы по удельной прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному раз­ рушению и другим свойствам значительно превосходят все известные кон­ струкционные сплавы. Комплекс свойств задается заранее и реализуется в процессе изготовления материала. При этом КМ придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкции.

Компоненты композиционного материала различны по геометриче­ скому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему (рис. 1), является матрицей (связующим), прерывный компонент, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирую­ щим или упрочняющим.

Рис. 1. Схема композиционного материала: 1 - матри­ ца; 2 - армирующие элементы; 3 - зона раздела фаз

Композиционные материалы классифицируют по основным призна­ кам: типу матрицы, виду армирующего элемента, особенностям макро­ строения и методам получения.

По типу материала матрицы различают полимеоные композиты (термопласты и реактопласты, смеси), металлические (в том числе мате­ риалы, получаемые методами порошковой металлургии, и сплавы, состоя­ щие из макронеоднородных фаз), неорганические (неорганические поли­

меры, минералы, углерод, керамика) и комбинированные (полиматричные).

Матрица придает изделию из композита заданную форму и монолит­ ность, обеспечивая передачу и перераспределение нагрузки по объему ма­ териала, защищает армирующие элементы от внешних воздействий. Тип матрицы непосредственно определяет термическую и коррозионную стой­ кость, электрические и теплозащитные .свойства, старение, технологию из­ готовления и другие важнейшие характеристики композиционного мате­ риала и изделий из него.

По виду армирующих элементов (наполнителей) композиты класси­ фицируют в зависимости от геометрических размеров и порядка их распо­ ложения в матрице, а также от целей армирования. Армирующие элементы (наполнители) вводят в композиционный материал с целью изменения его свойств: увеличения прочности, жесткости и пластичности; изменения плотности, электрических, теплофизических и других характеристик в раз­ личных направлениях и отдельных местах изделия. Важнейшими являются деформационно-прочностные характеристики конструкционных материа­ лов. По этому признаку для удобства дальнейшего рассмотрения целесо­ образно различать собственно наполнители и армирующие элементы. На­ полнители - это преимущественно дисперсные и коротковолокнистые ве­ щества, введение которых позволяет достичь не более чем полутора­ двухкратного повышения прочности матрицы. Армирующие элементы (арматура) - высокопрочные «усы», волокна, ткани, которые при соответ­ ствующем содержании в композиции в 2-10 и более раз способствуют по­ вышению прочности материала по сравнению с прочностью матрицы. В композиционном материале могут находиться и наполнители, и армирую­ щие элементы.

Композиты могут содержать армирующие и наполняющие компонен­ ты различных размерностей. Все размеры нульмерных наполнителей на­ много меньше характерного размера образца композиционного материала; у одномерных наполнителей (армирующих элементов) один из размеров соизмерим с характерным размером; по меньшей мере два размера двух­ мерного армирующего элемента соизмеримы с характерными размерами образца композита. К нульмерным наполнителям относят дисперсные (преимущественно порошковые) наполнители (сажа, песок, мелкодисперс­ ные металлы, фосфаты, стеклянные и кремнеземные микросферы и т.д.); к одномерным - волокнистые наполнители и армирующие элементы: при­ родные коротковолокнистые (асбест), растительные (сизаль, джут), высо­ комодульные нитевидные кристаллы (оксид и нитрид алюминия, оксид бе­ риллия, карбид бора, нитрид кремния), длинномерные стеклянные, угле­ родные, базальтовые, борные, керамические, металлические, низко- и вы­ сокомодульные органические волокна. К двухмерным относят ленточные,

тканевые (состоящие из любых видов волокон и их сочетаний), сеточные и другие армирующие элементы.

Вклад наполнителей (арматуры) в комплекс свойств композитов бы­ вает настолько существенным, что последние нередко называют по виду наполнителя: графитопласты, стекловолокниты, органо-, угле- и боропластики и т.д.

По макростроению композиционные материалы различают в соответ­ ствии с геометрическими параметрами относительно расположения ком­ понентов. В матрице армирующие элементы могут быть расположены хао­ тически, но чаще их стараются разместить в определенном порядке (рис. 2).

Рис. 2. Простейшие случаи хаотического (а - г, и), одноосно- (д-з) и сложноориентированного (к - м) расположения арми­ рующих элементов и наполнителей в матрице композицион­ ного материала: о - порошка; б - коротких волокон; в - че­ шуек; г - смеси порошка с короткими волокнами; г) - корот­ ких волокон; е - длинных волокон; ж - тканей или фольг:

и - длинных волокон

Композиционные материалы, имеющие одинаковые свойства во всех направлениях, называют изотропными. К ним относят хаотически напол­ ненные порошками, короткими волокнами и чешуйками композиты. Мате­ риалы, свойства которых неодинаковы по различным направлениям, назы­ вают анизотропными. Это композиты с армирующими элементами в виде непрерывных волокон, пластин, тканей, сеток.

При моделировании технологии изготовления и выборе схемы проч­ ностного расчета высокопрочные композиционные материалы делят на три

группы: с одноосным, двухосным (плоскостным) и трехосным (объемным) армированием (рис. 3).

Рис. 3. Схема армирования композиционного мате­ риала одномерными (волокнистыми) элементами:

а - одноосное; б - двухосное; в - трехосное

Находят применение также комбинированные (гибридные) компози­ ционные материалы (рис. 4): полиармированные (содержащие два и более различных по составу и природе армирующих элемента), полиматричные (имеющие две или более матрицы) и др.

Метрит 1 Матрица 2

Рис. 4. Схемы комбинированных композиционных мате­ риалов: а - полиармированных; б - полиматричных; в - гибридных

Гибридные (полиматричные и полиармированные) композитыконструкции изготовляют одновременно с изделием. При этом соответст­ вующий компонент (матрица или армирующий элемент) вводят в заданное место конструкции, где наиболее полно используются его положительные качества при оптимальной технологии и минимальных материальных за­ тратах.

По методам получения композиты подразделяют на материалы, фор­ мируемые путем соединения компонентов в твердой или жидкой фазах с использованием газофазных процессов, в вязкотекучем состоянии и в раз­ нообразных комбинациях названных состояний. Чаще всего при изготов­ лении композита применяют последовательные или параллельные техно­ логические операции с компонентами, находящимися в различных фазо­ вых состояниях.

Жидкофазными компонентами - растворами и расплавами матрично­ г о материала - пропитывают арматуру. Твердофазные компоненты соеди­ няют в композиционный материал прессованием, уплотнением взрывом, диффузионной сваркой. К газофазным технологическим процессам отно­ сят нанесение металлических или керамических матричных покрытий на армирующие элементы - волокна, ткани. В вязкотекучем состоянии пере­ рабатывают большинство композитов на полимерной матрице.

1.1. Схема конструирования композиционного материала

Создание композиционного материала включает следующие опера­

ции:

-формирование проектных исходных данных;

-выбор состава композита и технологии его производства;

-оценка свойств созданного материала.

Кпроектным исходным данным относятся условия эксплуатации бу­ дущего изделия и соответствующие им механические, физические, хими­ ческие и другие характеристики материала, которые определяют работо­ способность изделия. Например, для ответственных высоконагруженных деталей самолетов первостепенными являются механические характери­ стики. В этом случае разработчикам нового материала важно знать преде­ лы его прочности, ползучесть, сопротивление динамическим нагрузкам, вязкоупругие свойства, чувствительность к надрезам, сопротивление уста­ лости, параметры окружающей среды при эксплуатации изделий (влаж­ ность, степень разрежения, температура воздуха и др.) и их влияние на свойства материала и т.д. Специфические электрофизические и электро­

магнитные характеристики учитываются при разработке материалов для радиоэлектронной и электротехнической аппаратуры, электрических ма­ шин. При проектировании деталей и узлов химических аппаратов, обору­ дования нефтеперерабатывающих и пищевых производств важно знать, как долго будет работать композиционный материал при воздействии аг­ рессивной среды. Важнейшими характеристиками материалов прецизион­ ных деталей являются их тепловое расширение и износостойкость, харак­ теристиками теплозащитных покрытий космических аппаратов - тепло­ проводность и абляционные показатели.

Выбор состава композиции - результат оптимизации объемного со­ держания матрицы и армирующих элементов. Сначала осуществляют ори­ ентировочный выбор материала матрицы, основных наполнителей и арма­ туры, технологии формирования изделий.

Металлические матрицы обеспечивают высокую прочность, тепло- и электропроводность композиционных материалов, размерную стабиль­ ность изделий из них, но отличаются высокой плотностью, недостаточны-

ми износо- и химической стойкостью. Полимерные матрицы при относи­ тельно низких прочности и теплостойкости характеризуются более высо­ кой химической стойкостью и низкой плотностью. Термореактивные по­ лимеры превосходят термопластичные по прочностным характеристикам, но хуже перерабатываются в изделия. Керамические матрицы отличаются очень высокой термостойкостью, прочностью и жесткостью, но процессы их переработки в изделия очень энергоемки, а изделия имеют высокую стоимость.

Значительное влияние на свойства композиционных материалов ока­ зывают размеры, профиль и природа армирующих элементов (наполните­ лей), их содержание и равномерное распределение в матрице, ориентация армирующих волокон относительно направления нагружения.

Работоспособность композитов в значительной степени зависит от ря­ да факторов: технологических режимов формирования изделий; термоди­ намической и кинетической совместимости компонентов, дефектности структуры матрицы и армирующих элементов.

Технологичность - это способность полученного материала подвер­ гаться тому или иному виду воздействия (пластическая деформация, литье, обработка резанием, методы порошковой металлургии) в процессе изго­ товления изделий из композита.

Совместимость - это способность арматуры сохранять форму и струк­ туру, а следовательно, и высокую прочность как в процессе изготовления КМ, так и при эксплуатации. Эта проблема остро возникает, когда армату­ рой служат металлические волокна. В этом случае может наблюдаться хи­ мическое взаимодействие матрицы и волокна и их взаимная диффузия, что приводит к образованию на границе раздела волокно-матрица крупных фаз, рекристаллизации и растворению волокон и, в конце концов, разу­ прочнению арматуры и материала в целом.

Прочность сцепления между компонентами зависит и от их механиче­ ской совместимости, на которую влияет разница в пластических свойствах, в коэффициентах Пуассона и линейного расширения, модулей упругости. Механическая несовместимость приводит к возникновению остаточных напряжений на границе-раздела компонентов, которые при достижении определенного значения нарушают связи между компонентами.

Для металлических КМ прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонко­ го слоя (1-2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матри­ цей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для прочной связи между волокном и матрицей, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими.

Связь между компонентами и КМ на неметаллической основе осуще­ ствляется с помощью адгезии. Плохой адгезией к матрице обладают высо­

копрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцеп­ ления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон, назы­ ваемой вискеризацией. Вискеризация - это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» во­ локна бора называют «борсик». Вискеризация способствует повышению сдвиговых характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна.

Определение содержания и относительного расположения различных армирующих элементов в матрице зависит прежде всего от таких исход­ ных параметров, как прочность и жесткость, тепло- и электропроводность, технологичность, стоимость материала и т.д.

Оценка свойств материала и конструкции осуществляется расчетны­ ми и экспериментальными методами. Для расчетной оценки свойств ком­ позиционных материалов и изделий из них применяют методы макро- и микромеханики композитов, оптимизации физических характеристик ком­ позитов по свойствам компонентов, используют справочники и руково­ дства по конструированию. Модельные образцы стандартной или специ­ альной формы подвергают экспериментальной проверке в соответствии с программой и методикой испытаний.

Всовременных композитах высокая прочность сочетается с легкостью

идолговечностью. Их применение в машинах, оборудовании, сооружениях позволяет снизить массу конструкций в 2—4 раза, трудоемкость изготовле­

ния в 1,5-3 раза, энергоемкость производства в 8-10 раз, материалоем­ кость в 1,6-3,5 раза. За счет применения композитов можно в 1,5-3 раза увеличить ресурс технических объектов, снизить до минимума потери от коррозии, расход топлива и т.д.

Определились две области эффективного использования композици­ онных материалов:

1)в качестве заменителей наиболее дефицитных традиционных мате­ риалов - цветных металлов, текстолита, натуральных тканей и др.;

2)в качестве конструкционных материалов с уникальными прочност­ ными и другими характеристиками.

Кпервой группе можно отнести материалы, в которых широко ис­ пользуется недефицитное, в том числе вторичное, сырье: древесные опил­ ки, отходы синтетических волокон и тканей, сельскохозяйственных и хи­ мических производств. Из них изготовляют древесно-полимерные, волок­ нисто-армированные листовые материалы для отделки интерьера кабин ав­ томобилей, тракторов и комбайнов, длинномерные направляющие, строи­ тельные профили, утеплительные и звукоизоляционные панели, разнооб­ разные малонагруженные детали машин и механизмов.

Высокопрочные композиты и композиты со специальными функцио­ нальными свойствами наиболее широко используются для изготовления ответственных изделий, прежде всего в авиации, автомобилестроении и сельскохозяйственном машиностроении, электронике. Так, в транспортном самолете-гиганте «Руслан» использовано около 5,5 т композитов, что по­ зволяет сэкономить на каждом изделии 15 т металла и уменьшить затраты топлива за период эксплуатации на 18 тыс. т. По мнению специалистов, к концу нынешнего века доля композитов в конструкциях дозвуковых само­ летов возрастет на 30-40 %, а сверхзвуковых - на 50 %. В сверхзвуковом самолете предполагается крылья и оперение делать из углерод-углеродных композитов, воздухозаборники и сопла двигателей - из керамических, шасси - из углерод-алюминиевых и углерод-магниевых материалов.

Ставку на композиты делает и мировое автомобилестроение. Доля композитов в автомобилях в ближайшие 10-15 лет достигнет 65 %. Из композитов будут делать не боящиеся коррозии рамы, рессоры, бамперы, узлы трения.

Перспективно использование композитов и для изготовления деталей железнодорожных вагонов, судов, емкостей и высоконапорных трубопро­ водов, спортивного инвентаря. В нашей стране создаются крупные произ­ водства новых композиционных материалов и разрабатываются научные рекомендации по конструированию композитов с заданным комплексом свойств.

1.2. Виды, свойства и способы получения армирующих материалов

Физические и механические свойства нитевидных кристаллов, прово­ локи и волокон приведены в табл. 1-3.

1.2.1. Нитевидные кристаллы

Нитевидные кристаллы - «усы» - очень тонкие дискретные волокна с монокристаллической структурой. Диаметр нитевидных кристаллов обыч­ но не превышает 10 мкм, а отношение длины к диаметру {lid) составляет 20/100, но может быть и больше.

Механические характеристики нитевидных кристаллов приближаются к теоретическим, так как их структура весьма совершенна. Однако эти ха­ рактеристики зависят от диаметра усов и температуры испытания (экс­ плуатации). Большую роль при этом играет и природа усов.

Усы графита, обладая высокими показателями удельной прочности и жесткости, неустойчивы в металлических матрицах при высоких темпера­ турах. Нитевидные кристаллы металлов из-за высокой плотности обладают пониженной удельной жесткостью по сравнению с соответствующими ха­ рактеристиками усов тугоплавких соединений (SiC; В4С и др.).