Список тематических статей

Композиционные материалы (композиты)

От латинского compositio – составление. Это многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и других.

Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационых и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные компазиты) или наполнителей различной природы (гибридные компазиты) значительно расширяет возможности регулирования свойств компазиционных материалов.

Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки компазита.

По структуре наполнителя компазиты подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсноупрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц).

Матрица в компазита обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость. По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и другие композиты.

Наибольшее применение в технике получили компазиты, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные компазиты на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдных, полиимидных и других) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органические (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами. Металлические компазиты на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой. Компазиты на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы). Компазиты на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими волокнами и SiC.

При использовании углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон, содержащихся в материале в количестве 50-70%, созданы композиции с удельной прочностью и удельным модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые компазиты превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам. Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500°С.

Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных компазитов на основе Ni, Cr, Co, Ti и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350°С.

При изготовлении металлических волокнистых компазитов нанесение металлической матрицы на наполнитель осуществляют в основном из расплава материала матрицы, электрохимическим осаждением или напылением.

Формование изделий проводят главным образом методом пропитки каркаса из армирующих волокон расплавом металла под давлением до 10 МПа или соединением фольги (матричного материала) с армирующими волокнами с применением прокатки, прессования, экструзии при нагревании до температуры плавления материала матрицы.

Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых компазитов – выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, например, при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе Ni и Со. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80ºС.

Компазиты на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, химической стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000°С в инертной среде.

Высокопрочные компазиты на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать компазиты, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости.

Армирование дисперсными металлическими частицами позволяет создать керамико-металлические материалы (керметы), обладающие повышенной прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам. При изготовлении керамических компазитов обычно применяют горячее прессование, прессование с последующим спеканием, шликерное литье.

Армирование материалов дисперсными металлическими частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование главным образом применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с последующей обычной переработкой слитков в изделия. Введение, например, ТhO₂ или ZrO₂ в сплав позволяет получать дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой при 1100-1200°С (предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов в тех же условиях -1000-1050°С).

Перспективное направление создания высокопрочных комазитов – армирование материалов нитевидными кристаллами («усами»), которые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. Наибольший практический интерес представляют кристаллы Аl₂О₃, BeO, SiC, B₄C, Si₃N₄, AlN и графита диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока.

Компазиты на основе эпоксидной матрицы и нитевидных кристаллов ThO₂ (30% по массе) имеют sраст 0,6 ГПа, модуль упругости 70 ГПа. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрических и магнитных свойств.

Выбор и назначение компазита во многом определяются условиями нагружения и температурой эксплуатации детали или конструкции, технологическими возможностями. Наиболее доступны и освоены полимерные компазиты.

Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластических полимеров обеспечивает широкий выбор компазита для работы в диапазоне от отрицательных температур до 100-200°С – для органопластиков, до 300-400°С – для стекло-, угле- и боропластиков. Полимерные компазиты с полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до 120-200°С, с феноло-формальдегидной – до 200-300°С, полиимидной и кремнийорганической – до 250-400°С.

Металлические компазиты на основе Аl, Mg и их сплавов, армированные волокнами из В, С, SiC, применяют до 400-500°С; компазиты на основе сплавов Ni и Со работают при температуре до 1100-1200°С, на основе тугоплавких металлов и соединений – до 1500-1700°С, на оснбве углерода и керамики – до 1700-2000°С.

Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, антифрикционных, радио- и электротехнических и других материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции.

Все виды компазитов применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и другого.

Гладкова Наталья