48. Виды композиционных материалов. Строение, свойства, области применения

Композиционные материалы состоят из двух компонентов, объединенных различными способами в монолит при сохранении их индивидуальных особенностей.

Признаки материала:

– состав, форма и распределение компонентов определены заранее;

– состоят из двух компонентов и более различного химического состава, разделенных границей;

– обладает свойствами, отличными от свойств компонентов, взятых в отдельности;

– однороден в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе;

– не встречается в природе, создан человеком.

Компоненты материала различны по геометрическому признаку. Матрицей называют компонент, который обладает непрерывностью по всему объему. Наполнителем – компонент прерывный, армирующий.

В композиционных материалах в качестве матриц используются металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические материалы. Свойства зависят от физико-химических свойств компонентов и прочности связи между ними. Компоненты для композиционного материала выбирают со свойствами, отличающимися друг от друга. Такие материалы – высокой удельной жесткости и удельной прочности.

Распространенные композиционные материалы с нуль-мерными наполнителями – металлическая матрица из металла или сплава. Композиционные материалы с равномерным распределением частиц упроч-нителя отличаются изотропностью свойств. Композиции, армированные дисперсными частицами получают методами порошковой металлургии.

Композиционные материалы с алюминиевой матрицей на основе алюминия упрочняются частицами А1203, полученные методом прессования алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП).

Сплавы САП удовлетворительно деформируются в горячем состоянии, а сплавы САП-1 – и в холодном. САП легко обрабатываются резанием, удовлетворительно свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги.

Композиционные материалы с никелевой матрицей.

Упрочняющим компонентом являются токсичные частицы диоксида тория (ТИ02) или диоксида гафния (Hf02). Эти материалы обозначаются ВДУ-1 и ВДУ-2 соответственно. Композиционные материалы ВДУ-1 и ВДУ-2 пластичны, деформируются в широком интервале температур различными методами (ковка, штамповка, осадка, глубокая вытяжка). Для соединения деталей из сплавов типа ВДУ применяют высокотемпературную пайку либо диффузионную сварку для предотвращения расплавления. Сплавы ВДУ-2 применяют в авиационном двигателестроении.

Композиционные материалы с одномерными наполнителями упрочняются посредством одномерных элементов в форме нитевидных кристаллов, волокон (проволоки).

Волокна скрепляются матрицей в единый монолит. Матрица служит для защиты упрочняющего волокна от повреждений, является средой, передающей нагрузку на волокна, и перераспределяет напряжения в случае разрыва отдельных волокон.

Композиционные материалы на никелевой матрице

Армированию подвергают жаропрочные никелевые сплавы, чтобы увеличить время их работы и рабочую температуру до 1100–1200 °C. Для армирования никелевых сплавов применяют упрочнители: нитевидные кристаллы, проволоки тугоплавких металлов и сплавов, волокна углерода и карбида кремния.

Эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтектического состава. В них упрочняющей фазой являются ориентированные кристаллы, которые образуются при направленной кристаллизации.

Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе Al, Мд, Си, Со, Тк

Эвтектические композиционные материалы на алюминиевой основе

Методом направленной кристаллизации получают композиции А1-А^М и А1-СиА12. Композиция отличается высокой стабильностью структуры вплоть до температур плавления.

Эвтектические композиционные материалы на основе никеля – это жаропрочные материалы, используются в ракетной и космической технике. Пластинчатые композиции, содержащие объемную долю упрочняющей фазы более 33–35 %, хрупкие. К пластичным относятся композиции на основе никеля с содержанием объемной доли волокон 3-15 % из карбидов тантала, ниобия, гафния.

Композиционные материалы на неметаллической основе.

В качестве матрицы используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные, фенольные смолы.

Композиты, армированные однотипными волокнами, называются по упрочняющему волокну. Композицию, содержащую наполнитель в виде длинных стекловолокон, расположенных ориентированно отдельными прядями, называют ориентированным стекловолокнитом.

Наполнитель неориентированных стекловолокнитов – короткое волокно. Если упрочнителем является стеклоткань, материал называют стеклотекстолитом. Композиционный материал, содержащий углеродное волокно, называют углеволокнитом, борное волокно – бороволокнитом, органическое волокно – органово-локнитом. Достоинства композиционных материалов с полимерной матрицей: высокие удельные прочностные и упругие характеристики; стойкость к воздействию агрессивных сред; хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными и амортизационными свойствами.