книги / Композиционные материалы

нистая фаза обусловливает анизотропию их магнитных свойств. Магнит­ ные КММ применяют в технике для изготовления магнитопроводов, носи­ телей информации (магнитные диски, барабаны) и т.п.

2.4.Волокнистые материалы

ВКММ, армированных волокнами, эффективно используются волок­ на с невысокими механическими характеристиками.

Технология формирования волокнистых КММ включает процессы прессования, прокатки, совместной вытяжки, экструзии, сварки, напыле­ ния или осаждения, а также пропитки.

Горячим прессованием, т.е. прессованием с нагревом на воздухе или в контролируемой атмосфере, получают материалы с матрицами из порош­ ков, фольги, лент, листов и других металлических полуфабрикатов. Этим методом изготовляют многослойные листы, ленты, стержни, профильные изделия и т.п. Методом прокатки из тех же полуфабрикатов формируют КММ, армированные проволокой. Процесс, осуществляемый при темпера­

турах Т = (0,7-0,9) Гпл (где Гпл - температура плавления матрицы), в отли­ чие от прессования является полунепрерывным или непрерывным. Для предупреждения разрушения волокон применяют поперечную прокатку. Готовые изделия имеют вид лент, листов, балок.

Метод совместной вытяжки заключается в следующем. В заготовке из матричного металла высверливают отверстия, в которые вставляют арми­ рующие прутки или проволоку. Нагрев и обжатие заготовки завершают волочением и отжигом.

Методом экструзии (с нагревом или без него) изготовляют КММ в ви­ де прутков или труб. Исходным материалом для матрицы служат порошки, прутки, трубчатые заготовки.

Высокоскоростную сварку листовых КММ осуществляют из загото­ вок в виде чередующихся слоев фольги и волокон с помощью машин диф­ фузионной сварки с валками, выполненными из тугоплавкого металла. Достоинствами сварки взрывом являются возможность соединения компо­ нентов, сварка которых обычными методами затруднена, а также техноло­ гичность получения крупногабаритных листовых изделий.

Методами напыления или электролитического осаждения матричного материала на армирующие волокна получают полуфабрикаты КММ, изде­ лия из которых формируют путем уплотнения.

Пропитку заготовок из волокон металлическими расплавами осущест­ вляют в вакууме или в контролируемой атмосфере. Применяют такую тех­ нологию для изготовления длинномерных изделий сложного профиля. Ее разновидностью является протягивание волокон через матричный расплав

с последующим оформлением профиля, например волочением через филь­ еру.

Номенклатура волокнистых КММ включает множество материалов на матрицах из алюминия, магния, титана, меди, никеля, кобальта и др.

КММ из алюминия и высокомодульных волокон характеризуются вы­ сокой удельной прочностью и жесткостью, высокой жаропрочностью и анизотропией механических свойств. Материалы, упрочненные стальной проволокой, перспективны в различных отраслях техники благодаря срав­ нительно малой стоимости, КММ типа алюминий - бор имеет высокую электро- и теплопроводнрсть, пластичность, ударную вязкость и абразив­ ную стойкость. КММ алюминий - углерод отличают жаропрочность и стойкость к действию радиации. При выборе компонентов этих материалов оценивают вероятность образования при повышенных температурах экс­ плуатации химических соединений (интерметаллидов, карбидных фаз), снижающих прочность изделий. КММ на основе алюминия предназначены для авиационной и космической техники, где высокая первоначальная стоимость разработки материалов окупается за счет их эксплуатационных характеристик.

Особенностью КММ на основе магния является термическая стабиль­ ность структуры вплоть до температуры начала размягчения матрицы. По удельным показателям прочности и жесткости эти материалы превосходят большинство КММ, в том числе на основе алюминия. Их армируют волок­ нами бора, карбида кремния, оксида алюминия, углеродными волокнами, проволокой из стали, титана, тантала, с которыми магниевые сплавы прак­ тически не реагируют. КММ на основе магния эффективны в высоконагруженных конструкциях, применяются в космической технике, при строительстве ядерных реакторов и т.д.

Материалы на основе титана имеют высокую прочность при растя­ жении в направлениях по нормали и под углом к направлению армирова­ ния. Важной особенностью этих материалов является стойкость к удару. Из КММ на основе титана и волокон изготовляют лопатки вентиляторов газотурбинных двигателей, которые должны иметь высокую жесткость при повышенной температуре и низкую плотность для снижения напряжений от центробежных сил.

КММ на основе меди - преимущественно электротехнические мате­ риалы, обладают лучшим сочетанием прочности и электропроводности, чем медные сплавы, особенно при повышенных температурах.

Более высокой жаропрочностью, чем никелевые сплавы, отличаются КММ на основе никеля. Их свойства в значительной мере определяются взаимодействием матрицы и арматуры, в частности степенью разупрочне­ ния последней при высоких температурах. КММ на основе никеля приме-

няют для изготовления газотурбинных двигателей, рабочие напряжения в которых соизмеримы с пределом прочности материала.

Применение волокнистых материалов на матрице из кобальта огра­ ничено в связи с дефицитом кобальта. В качестве упрочнителей использу­ ют проволоку из молибдена и вольфрама, а также нитевидные кристаллы оксида алюминия и карбида кремния.

3. КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Керамическими называются КМ, в состав которых входят керамиче­ ская матрица и металлические или неметаллические наполнители. Керами­ ческие КМ обладают высокой температурой плавления, стойкостью к окислению, термоударам и вибрации, прочностью и теплопрочностью при сжатии. Их получают порошковой технологией, гидростатическим, изостатическим и горячим прессованием, а также центробежным, шликерным и вакуумным литьем. В качестве матриц используют силикатные (Si02), алюмосиликатные (AI2O3 - Si02), алюмоборосиликатные (AI2O3 - В2О3 - - SiC>2) и другие стекла, тугоплавкие оксиды (ТЮ 2, BeO, AI2O3, ZrC>2 и т.д.), нитрид Si3N4, бориды (TiB2, ZrB2) и карбиды (SiC, TiC).

Керамические КМ на основе карбидов и оксидов с добавками метал­ лического порошка (< 50 об. %) называются керметами. Они не нашли широкого применения из-за высокой хрупкости. Помимо порошков для армирования керамических КМ используют металлическую проволоку из жаропрочной стали, вольфрама, молибдена, ниобия, а также неметалличе­ ские волокна (углеродные, керамические). Ориентация волокон КМ в зави­ симости от условий нагружения может быть направленной или хаотичной.

Использование металлической проволоки из тугоплавких металлов и жаропрочных сталей имеет целью создать пластичный каркас, предохра­ няющий КМ от преждевременного разрушения при растрескивании кера­ мической матрицы. Ударная вязкость и термостойкость керамических КМ повышаются при увеличении содержания волокна более чем на 25 об. %, затем возрастающая пористость снижает прочность этих КМ. Недостатком керамических КМ, армированных металлическими волокнами, является низкая жаростойкость.

Перспективным наполнителем для керамических КМ является высо­ комодульное углеродное волокно. Для обеспечения максима ьной прочно­ сти доля углеродного волокна должна составлять 50-60 5. % при опти­ мальном отношении модулей упругости матрицы и волжна, равном 0,1. Однако свойства и температура эксплуатации этих КМ в большой степени зависят от материала матрицы. Рабочие температуры для углекерамиче­ ских КМ со стеклянной матрицей, отличающихся высокой стабильностью механических свойств практически до температур размягчения

(600-800 °С), не должны превышать эти температуры. КМ с матрицей из тугоплавких оксидов можно использовать до 1000 °С, из боридов и нитри­ дов - до 2000 °С, из карбидов - до температур свыше 2000 °С. Кроме того, свойства керамических КМ зависят от способа формования.

Преимуществом керамических КМ, армированных волокнами SiC, яв­ ляется химическое сродство матрицы и наполнителя, близкие значения модулей упругости и коэффициентов линейного расширения. Совмести­ мость матрицы и наполнителя в этих КМ обеспечивает высокую прочность связи между ними, что в сочетании со стойкостью к окислению при высо­ ких температурах позволяет использовать их для ответственных тяжело нагруженных изделий (высокотемпературные подшипники уплотнений, направляющие и рабочие лопатки газотурбинных двигателей, носовые об­ текатели ракет и т.д.).

3.1. Углерод-углеродные композиционные материалы

Углерод-углеродными называются КМ, представляющие собой угле­ родную матрицу, армированную углеродными волокнами или тканями. Их одинаковая природа и близкие физико-химические свойства обеспечивают прочную связь волокон с матрицей и уникальные свойства КМ. Механиче­ ские свойства этих КМ в большой степени зависят от схемы армирования (ав может меняться от 100 до 1000 МПа). Наиболее предпочтительным яв­ ляется многоосное армирование, при котором армирующие волокна распо­ ложены в трех и более направлениях.

Достоинствами углерод-углеродных КМ являются малая плотность (1,3-2,1 т/м3); высокая теплоемкость, сопротивление тепловому удару, эрозии и облучению; низкий коэффициент трения и линейного расшире­ ния; высокая коррозионная стойкость; широкий диапазон электрических свойств (от проводников до полупроводников); высокая прочность и жест­ кость. Уникальной особенностью углерод-углеродных КМ является увели­ чение прочности в 1,5-2,0 раза и модуля упругости при повышении темпе­ ратуры. К их недостаткам относят склонность к окислению при нагреве до температур выше 500 °С в окислительной среде. В инертной среде и ва­ кууме изделия из углерод-углеродных КМ работают до 3000 °С.

Исходным материалом для матриц служат синтетические органиче­ ские смолы с высоким коксовым остатком (фенолоформальдегидные, фурановые, эпоксидные и др.). При пиролизе они образуют стекловидный уг­ лерод, который не подвержен графитизации до 3000 °С.

Кроме того, в качестве матриц используют каменноугольные и нефтя­ ные пропитывающие пеки - вязкие остатки перегонки дегтей, смол, обра­ зующихся при термической обработке твердых топлив (угля, торфа и др.)

или при пиролизе нефти. К недостаткам пеков относят неоднородный хи­ мический состав, способствующий образованию пористости; термопла­ стичность, вызывающих миграцию связующих и деформацию изделия; на­ личие канцерогенных соединений, требующих дополнительных мер безо­ пасности.

Наполнителями углерод-углеродных КМ служат углеграфитовые во­ локна, жгуты, нити, тканые материалы. Структура и свойства КМ зависят от способа их получения. Наибольшее распространение получили сле­ дующие два. Первый способ включает в себя пропитку графитовых воло­ кон смолой или пеками, намотку заготовки, ее отверждение и механиче­ скую обработку на заданный размер, карбонизацию при 800-1500 °С в не­ окислительной (например инертном газе) или нейтральной среде, уплотне­ ние пиролитическим углеродом, графитизацию при 2500-3000 °С и нанесениие противоокислительных покрытий из карбидов кремния и циркония. Для получения материала высокой плотности цикл пропитка - отвержде­ ние - карбонизация многократно повторяют. Плотность КМ, полученного этим методом, составляет 1,3-2 т/м3 Свойства полученного при этом уг- лерод-углеродного КМ зависят от многих факторов: вида исходного во­ локна и связующего, условий пропитки, степени наполнения матрицы, свойств кокса и прочности его связи с волокном, режимов отверждения, карбонизации, графитизации, многократности цикла пропитка - отвержде­ ние - карбонизация.

Второй способ получения углерод-углеродного КМ заключается в осаждении углерода из газовой среды, образующейся при термическом разложении углеводородов (например метана), на волокнах каркаса заго­ товки (изделия) и заполнении пор между ними. Углерод образует соедини­ тельные мостики между волокнами. Метод осаждения из газовой среды более дорогой, но обеспечивает прочное сцепление волокон с матрицей, высокое содержание углерода в матрице и большую плотность всего КМ. Кроме того, он позволяет создать гибридные КМ с различной структурой благодаря многослойному осаждению углерода и других материалов (на­ пример, Zr, Та, Си), и также многонаправленному пространственному ар­ мированию. Этот метод позволяет получить КМ с различными свойствами, в том числе и с заданными.

Существуют также технологии, сочетающие эти два способа.

4. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЕ

Композиционные материалы на полимерной матрице (КПМ) содержат полимерное связующее (матрицу), объединяющее все компоненты мате­ риала в единую структуру, что обусловливает их совместную работу в со­ ставе КПМ.

К КПМ относятся многие пластмассы - материалы, основу которых составляют полимеры, находящиеся во время формования изделий в вяз­ котекучем или высокоэластическом состоянии, а при эксплуатации - в стеклообразном или кристаллическом состоянии.

В качестве полимерных матриц используют эпоксидные, фенолоформальдегидные и полиамидные смолы. По сравнению с другими поли­ мерами эпоксидные смолы обладают более высокими механическими свойствами в интервале от -60 до 180 °С, что обеспечивает КПМ более высокие прочностные характеристики при сжатии и сдвиге. Однако эпок­ сидные матрицы уступают феноло-формальдегидным и особенно поли­ амидным в теплостойкости.

В качестве упрочнителей применяют высокопрочные и высокомо­ дульные углеродные и борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент, нетканых материалов.

Группы КМ, армированные однотипными волокнами, имеют специ­ альные названия, данные им по названию волокна. Композиции с углерод­ ными волокнами называются углеволокнитсши, с борными - бороволокнитами, со стеклянными - стекловолокнитами, с органическими - органоволокнитами. Для органоволокнитов используют эластичные (лавсан, ка­ прон, нитрон) и жесткие (ароматический полиамид, винол) синтетические волокна.

Номенклатура КПМ насчитывает сотни наименований, объединяю­ щих материалы с уникальной удельной прочностью и коррозионной стой­ костью, с регулируемыми магнитными и электрическими характеристика­ ми и разнообразными функциональными свойствами. Верхняя граница ра­ бочих температур КПМ соответствует 200-400 °С, однако сочетание высо­ кой прочности и стойкости к коррозии делает их перспективным материа­ лом для автомобиле-, судо-, сельскохозяйственного машиностроения, тру­ бопроводного транспорта. Создатели скоростных железнодорожных поез­ дов видят в КПМ средство преодоления барьера вибрации.

В большинстве промышленных технологий формирование КПМ и пе­ реработка их в изделие сдвмещены. При формировании изделия можно средствами технологии «конструировать» структуру материала с целью придания ей оптимального соответствия конструкции изделия. Достигну­ тое в результате этого снижение стоимости изделий - одна из причин, обусловливающих конкурентоспособность КПМ среди машиностроитель­ ных материалов.

Технология КПМ включает много методов, заимствованных из техно­ логии пластмасс, но их содержание и режимы специфичны. В технологи­ ческом процессе получения КПМ значительное место занимают операции совмещения полимерного связующего и других компонентов, приготовле­

ния полуфабрикатов, формования заготовок и другие, основным содержа­ нием которых является формирование структуры КПМ, табл. 6.

4.1.Свойства композиционных материалов с полимерной основой

4.1.1.Наполненные пластики

Наполненные пластики (порошковые, конструкционные) - название наиболее представительной по номенклатуре и объему потребления груп­ пы КПМ. В качестве дисперсных наполнителей полимерной матрицы та­ ких материалов применяют твердые, жидкие и газообразные вещества. Выбор наполнителя, его содержание и распределение в матрице зависят в основном от стоимости и необходимых свойств материалов.

Порошковые пластики содержат дисперсные наполнители в твердой фазе. В эту группу входят металлонаполненные пластики, графитопласты, саженаполненные каучуки, порошковые фено- и аминопласты.

Конструкционные (общетехнические) пластики - КПМ с матрицей из конструкционных термопластов, содержащей твердые дисперсные напол­ нители преимущественно неметаллической природы. Они предназначены для изготовления слабо- и средненагруженных деталей машин: зубчатых колес, подшипников, уплотнительных колец, корпусов и т.п. В табл. 7 при­ ведены физико-механические характеристики некоторых марок наполнен­ ных пластиков конструкционного назначения.

Металлонаполненные пластики - КПМ, содержащие в качестве на­ полнителя металлические порошки. Они имеют более высокие, чем исход­ ные полимеры, характеристики прочности, термостойкости и теплопро­ водности (табл. 8). Электрическая проводимость металлонаполненных пластиков зависит от природы металла, степени наполнения, адгезии мат­ рицы к частицам металла и технологии формирования материала.

Металлические порошковые наполнители придают пластикам как конструкционным материалам дополнительные функциональные свойства: железо и никель - ферромагнетизм; алюминий, медь и другие - низкую газо- и паропроницаемость; свинец, кадмий, вольфрам - свойство поглощать излучения высоких энергий и т.д. Металлонаполненные пластики приме­ няют вместо цветных и драгоценных металлов при изготовлении подшип­ ников, уплотнителей, электрических контактов, в производстве магнитных лент, экранов для защиты от электромагнитных волн и w визирующих из­ лучений, нагревателей, устройств для отвода статическс -о электричества, элементов радио- и электротехники, в частности электропроводящих клеев для монтажа электронных приборов и др.