7.4 Прогноз свойств упорядоченных композитов
Свойства композита определяются усредненными характеристиками материалов матриц и волокон. Здесь существенны две задачи: найти способ усреднения и определить зависимость параметров композита от геометрической структуры. Усреднение не арифметическое, а некое функциональное. Иначе говоря, задача теории состоит в предсказании связи свойств композита с внешним воздействием по известным «парциальным» параметрам матрицы, волокна и их компоновке.
Под парциальными параметрами понимают жёсткость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения и т.д., формирование которых преследуется при разработке композита. Эта задача пока частично решена для простого слоистого композита. Так, параметр жёсткости в таком композите моделируется системой пружин. Вдоль оси волокон жёсткость матрицы и волокон работает параллельно. Это аналогично действию двух пружин, слабая пружина моделирует матрицу, а сильная волокно. Общая жёсткость определяется пружиной с большей жёсткостью (волокно).
К сожалению, приведённым примером почти исчерпываются теоретические исследования в области поиска связи параметров композита с «парциальными» параметрами его компонентов.
8. Композиционные материалы, получаемые методом порошковой металлургии
Композиционные материалы бывают двух видов:
- дисперсноупрочненные;
- армированные волокнами.
8.1 Диспесноупрочненные материалы.
Это композиционные спеченные материалы, содержащие искусственно вводимые в них высоко дисперсные равномерно распределенные частицы фаз, не взаимодействующие активно с матрицей и заметно не растворяющиеся в ней вплоть до температуры ее плавления.
Наиболее эффективное упрочнение при содержании упрочняющей фазы в количестве 3÷15% от объема. Размер ее частиц до 1 мкм, среднее расстояние между ними 0,1÷0,5 мкм.
Требование к дисперсноупрочненным материалам:
1.Высокая стойкость против ползучести при повышенных температурах.
2. Малая плотность.
3. Высокая термостойкость.
4. Низкий термический коэффициент расширения.
5. Высокая теплопроводность.
Матрица – металл определяет пластичные свойства, тепло- и электропроводности (Al, Cu, Fe, Co, Ni).
Фаза - упрочнитель – оксидные включения, равномерно распределенные между зернами металла. (Al2O3, SiO2, HfO2, ZrO2, Cr2O3, Ni3Al).
Фаза - упрочнитель должна отвечать требованию:
1. Высокая термодинамическая прочность, высокая свободная энергия образования.
2. Малая скорость диффузии компонентов фазы в матрице и малая их растворимость в ней.
3. Высокая чистота и большая суммарная поверхность частиц дисперсной фазы.
Способ ввода фазы - упрочнителя зависит от выбора типа структуры, которая бывает:
дисперсная;
агрегатная.
Дисперсная агрегатная
(предпочтительнее)
Способы ввода фазоупрочнителя в матрицу:
1.Мех. смешивание порошков оксида Мē + и упрочняющей фазы с последующим восстановлением оксида основного Мē.
2.Мех. смешивание порошков Мē матрицы и + порошка упрочняющей фазы. Получают агрегатную структуру.
3.Хим. смешивание, предусматривающее совместное осаждение солей и их последующее после прокалки восстановление с образованием Мē и сохранением фазы упрочнителя.
4.Внутреннее окисление порошков. Смешивают Мē основы и Мē дисперсной фазы, при высокой т-ре окисляют этот сплав. Растворенная фаза менее благородна, чем Мē-матрица Мē дисперсной фазы окисляется, образуя частицы оксидов.
W сплавы упрочняют ThO2 в количестве 0,75÷2% или ZrO2. Такие сплавы используют в ракетно-космической технике. Co-вые сплавы упрочняют ThO2 (до 4%). Cu сплавы упрочняют Al2O3, ThO2 (1,5÷2%). При 650-700 °С дисперсный упрочнитель Cu имеет более высокую длительную прочность, чем сталь типа 12Х18Н10Т. Используют для обмоток роторов двигателей, теплообменников, электровакуумных приборов, контактов.