6.3. Композиционные материалы
В композиционный материал (металлический или неметаллический) вводятся усиливающие его элементы: нити, волокна или хлопья из более прочного материала.
Примерами композиционных материалов являются:
- пластик, армированный углеродными, борными или стеклянными волокнами;
- алюминий, армированный нитями стали или бериллия;
- шины транспортных средств, где резина армирована кордными тканями или проволокой;
- кермет, т.е. керамические частицы, армированные в металлической матрице;
- древесина, как естественный композит с трубками целлюлозы в матрице лингвина;
- фанера, ЦСП, ДСП, ГВЛ и др.
Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получить композиционный материал с требуемыми значениями прочности и абразивной стойкости, упругости, жаростойкости и других свойств.
Компонент, обладающий непрерывностью во всем объеме, является матрицей, а прерывный компонент, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим.
По схеме расположения волокон выделяют три группы композиционных материалов (рис.6.4):
- с одноосным (линейным) расположением волокон, нитей в матрице параллельных друг другу;
- с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя;
- с трехосным (объемным) и отсутствием преимущественного направления в его распределении.
П
о
природе компонентов композиционные
материалы разделяются на четыре группы:
- из металла или сплава;
- из неорганических соединений (оксидов, карбидов, нитридов);
- из неметаллических соединений (углерод, бор и др.);
- из органических соединений (эпоксидные, фенольные и др. смолы).
Композиционные материалы с металлической матрицей – это материалы, состоящие из металлической (это чаще всего Al, Mg, Ni и их сплавы) матрицы, упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тугоплавкими тонкодисперсными частицами.
Эти материалы отличаются от обычных сплавов большими значениями прочности на растяжения в и модуля упругости Е, высокой жаропрочностью и пониженной склонностью к трещинообразованию.
Они используются для облегчения веса в авиации: обшивки лонжеронов, панелей и других высоконагруженных деталей; в двигателях: лопатки турбин и компрессоров; в автомобилестроении: панели, бамперы и прочие детали; в строительстве: пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений.
Имеются композиционные матрицы с никелевой матрицей. Матрица является никелево-хромовый (20% никеля), а в качестве упрочнителя используется диоксид или оксид гафния. Эти материалы очень пластичны и хорошо деформируются при изготовлении деталей: сопловые лопатки, стабилизаторы пламени, камеры сгорания авиационных двигателей, а также сосуды и трубопроводы, работающие при высоких температурах и давлениях.
Для упрочнения композиционных материалов используют высокопрочные проволоки из стали (Х18Н9, Х18Н10Т, 30Х13, Х17Н2, 13Х14Н3ФА, 20Х15Н5АМ3,…), бериллия, молибдена, вольфрама и др. металлов и их окислов, волокна из бора, углерода, стекла, а также монокристаллы из оксидов, нитридов алюминия и кремния и др.
Стальные и бериллевые проволоки используются для материалов, работающих при низких и умеренных температурах, а вольфрамовые и молибденовые – при высоких.
Промышленностью выпускают углеродные волокна в виде жгута с диаметром волокон 7 мкм и количеством 1…160 тысяч штук в жгуте (крученном или некрученом).
В композиционных материалах на неметаллической основе в качестве матрицы используют эпоксидные, фенольные, полимерные и другие смолы. Армирование проводят нитями: стеклянными, углеводородными, борными и др.