Лекция 13. Композиционные материалы

Лекция 13. Композиционные материалы

1.  Общая характеристика и классификация композиционных материалов

Композиционные материалы или композиты – это материалы, состоящие из двух и более компонентов (отдельных волокон или других армирующих составляющих и связующей их матрицы) и обладающие специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств составляющих их компонентов.

Компоненты композитов не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга. Они должны быть хорошо совместимы. Свойства композиционных материалов нельзя определить только по свойствам компонентов, без учета их взаимодействия.

Композиционные материалы классифицируются обычно по виду армирующего наполнителя:

1.  Волокнистые (армирующим компонентом служат волокнистые структуры).

2.  Слоистые.

3.  Наполненные пластики (армирующим компонентом являются различные частицы наполнителей).

В свою очередь наполненные пластики могут быть разделены на:

1.  Насыпные (гомогенные).

2.  Скелетные (начальные структуры, заполненные связующим).

Композиционные материалы могут быть также следующих типов:

1.  Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

2.  Волокнистые металлические композиционные материалы.

3.  Эвтектические композиционные материалы.

4.  Волокнистые композиционные материалы с неметаллической матрицей.

Армирующие компоненты могут представлять собой: различные волокна, порошки, микросферы, кристаллы из органических, неорганических, металлических материалов или керамики.

Наиболее распространены следующие связующие, используемые в армированных пластиках: полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды, силиконы, алкидные смолы, меламиновые смолы, полиамиды, фторуглеродные соединения, поликарбонат, акрилы, ацетали, полипропилен, акрилонитрилбутадиенстирольный сополимер (АБС), полиэтилен и полистирол.

Связующие могут быть разделены на термопласты (способные размягчаться и затвердевать при изменении температуры) и реактопласты, или термореактивные смолы (связующие, в которых при нагревании происходят необратимые структурные и химические превращения). В настоящее время наибольшее распространение получили термореактивные связующие.

При разработке и получении новых композиционных материалов, а также при создании конструкций из них необходимо учитывать влияние внешних условий (температура, высокая влажность) на эти материалы.

Целью создания композиционного материала является объединение схожих или различных компонентов для получения материала с новыми заданными свойствами и характеристиками, отличными от свойств и характеристик исходных компонентов.

Армирующие компоненты могут быть включены в состав армированных пластиков для изменения свойств термо - и реактопластов. Армированные пластики наиболее часто используются в двух видах: листовой материал (типичный пример такого материала – бумага, пропитанная меламинофенольным связующим, или стекловолоконные маты, пропитанные полиэфирным связующим) и прессованные пластики (чаще всего используются пропитанные фенольным или другим связующим минеральные, хлопковые и другие волокна).

Большинство свойств полученных композиционных материалов оказывается более высокими, нежели свойства исходных компонентов. К композитам следует также отнести и различные материалы, конструкционное назначение которых то же, что и одного из компонентов. Такого рода материалами являются, например, покрытые поливиниловой пленкой изделия, ламинированные металлопластиковые облицовочные материалы и т. д.

Термин «композиционные материалы» (КМ) или «композиты», применяется для названия новых классов материалов, состоящих из армирующего компонента и связующего. Композиты часто называют армированными (АП), или наполненными, пластиками.

Армирующие компоненты

В настоящее время наиболее распространенными армирующими компонентами при создании композиционных материалов являются стеклянные, полиамидные, асбестовые волокна, бумага (целлюлозные волокна), хлопок, джут и другие натуральные волокна.

Все большее место в технологии получения композитов занимают такие материалы, как углеродные, графитовые, борные, стальные волокна. Большое количество стеклопластиков применяется для получения различных композиционных материалов. Стекловолокно является основным видом армирующего материала для упрочнения различных пластиков, так как его стоимость не высока.

Из бумаг для целей армирования обычно используется три типа: крафт-бумага, обладающая сравнительно высокими прочностными показателями, альфа-бумага, используемая в электротехнике.

Хлопковые волокна сочетают в себе высокие прочность, технологичность и достаточную жесткость.

Полиамидные (нейлоновые) волокна используются для армирования обычно в виде тканей. Они образуют прекрасные слоистые электроизолирующие материалы. Они обладают низкой смачиваемостью, хорошей устойчивостью к истиранию и хемостойкостью.

Асбестовые волокна наряду с прочностью, устойчивостью к действию открытого пламени, обладают тепло - и хемостойкостью.

Углеродные и графитовые волокна обладают целым рядом особенностей по физико-техническим и химическим свойствам. Эти волокна имеют высокие предел прочности (временное сопротивление σВ) и модуль упругости Е при растяжении, что определяет их промышленную ценность.

Термореактивные связующие (полиэфирные, фенольные, полиамидные и эпоксидные) наиболее часто используются в стеклопластиках. В последнее время все большее внимание привлекают композиты на основе термопластов (в частности, поликарбонаты, АБС - сополимеры, полиацетали и полистирол), армированные короткими волокнами.

В качестве армирующего наполнителя используются также разнообразные материалы: алюминиевые порошки (оксид алюминия), асбест, карбонат и силикат кальция, продукты целлюлозного производства, хлопок, стекловолокно, граниты, порошок оксида железа, слюда, кварц, сталь, карбид кремния, диоксид титана и карбид вольфрама.

Положительный эффект применения наполнителей выражается в увеличении прочности и жесткости материалов, улучшении теплопроводности и теплостойкости, повышении износостойкости и ударной вязкости; уменьшении коэффициента линейного расширения, пористости; улучшении поверхности и удешевлении композиционных материалов.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

Материалы данного типа относятся к классу порошковых, в которых матрица из металла или сплава упрочняется искусственно введенными мелкодисперсными частицами размером менее 0.1 мкм в количестве 1 – 15 %. В качестве упрочняющей фазы используют дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений.

Смеси порошков получают механическим или химическим смешиванием, поверхностным или внутренним окислением, разложением смеси солей, водородным восстановлением или химическим осаждением из растворов. После формования и спекания проводят горячую пластическую деформацию с целью получения плотного беспористого полуфабриката.

1.  Дисперсно-упрочненные композиты на основе алюминия

Наиболее распространенными соединениями, применяемыми в качестве упрочняющей фазы в дисперсно-упрочненных композиционных материалах (ДКМ) на основе алюминия и его сплавов являются оксиды.

В промышленности выпускается три марки ДКМ на основе алюминия: САП-1, САП-2 и САП-3, отличающихся концентрацией оксидов (6 – 9, 9 – 13 и 13 – 17 % Al2O3).

Наряду с материалами САП разработаны ДКМ Al – С, упрочняющей фазой в которых служит карбид алюминия Al4С3. Увеличение содержания оксида алюминия в САП и карбида алюминия в ДКМ Al – С приводит к повышению прочности и снижению пластичности композитов.

При температурах 300 – 500 0С ДКМ на основе алюминия превосходят по прочности все промышленные алюминиевые сплавы и отличаются высокими характеристиками длительной прочности и ползучести.

2.  Дисперсно-упрочненные композиты на основе бериллия

Наиболее эффективными упрочнителями бериллия являются оксид ВеО и карбид Ве2С. Временнее сопротивление ДКМ Ве – ВеО повышается с увеличением содержания оксида; при этом эффективность упрочнения растет с увеличением температуры.

Сопротивление ползучести и длительная прочность Ве – ВеО композиционных материалов при повышенных температурах сравнительно не велики. Применение карбида бериллия Ве2С в качестве упрочняющей фазы позволяет повысить 100 часовую прочность Ве при 650 0С в 3 раза, а при 730 0С более чем в 5 раз.

Благодаря высокому коэффициенту рассеяния нейтронов, высокому модулю упругости и низкой плотности ДКМ на основе бериллия являются перспективными материалами в атомной промышленности, а также в качестве армирующих элементов в композиционных материалах с повышенным удельным модулем упругости.

3.  Дисперсно-упрочненные композиты на основе магния

Незначительная растворимость кислорода в магнии дает возможность упрочнять его оксидами. Наибольший эффект достигается при введении оксида магния MgO в количестве до 1 %.

Дальнейшее повышение содержания оксида практически не меняет временное сопротивление, но существенно снижает пластичность ДКМ.

ДКМ Mg – MgO обладают низкой плотностью высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести при нагревании. Применение этих материалов ограничено низкой коррозионной стойкостью в морской воде, а также на воздухе при температурах выше 400 0С.

Наиболее перспективно применение ДКМ на основе Mg в авиации, ракетной и ядерной технике в качестве конструкционного материала.

4.  Дисперсно-упрочненные композиты на основе никеля

В качестве упрочняющей фазы в ДКМ на основе никеля и его сплавов используются оксиды ThO2 и HfO2. Оксид тория ThO2 в количестве до 2 % наиболее эффективен для упрочнения никеля и нихрома (ДКМ ВДУ-1, ТD - никель, DS – никель, ТD - нихром).

Из-за токсичности оксида тория его часто заменяют оксидом гафния HfO2 в ДКМ ВДУ-2 (98 % Ni, 2 % HfO2), что приводит к существенному снижению жаропрочности.

ДКМ на основе никеля предназначены в основном для работы при температурах выше 1000 0С. При температуре 800 0С высоким временным сопротивлением обладают ДКМ на основе никелевых сплавов типа ТД – нихром (80 % Ni, 20 % Cr, упрочненный 2 % ThO2).

ДКМ на основе никеля и его сплавов применяются, главным образом, в авиационной и космической технике, а также для изготовления сосудов и трубопроводов для химической промышленности.

5.  Дисперсно-упрочненные композиты на основе кобальта

ДКМ на основе кобальта и его сплавов с хромом, молибденом и вольфрамом упрочняются оксидом тория ThO2 с содержанием 2 – 4 %. При температурах ниже полиморфного превращения (470 0С) ДКМ на основе кобальта имеют более высокое временное сопротивление и меньшую пластичность, чем ДКМ на основе никеля.

Введение небольших добавок циркония в кобальтовую матрицу повышает пластичность, предел прочности.

Легирование хромом и никелем существенно повышает жаростойкость кобальта, что позволяет использовать ДКМ при температурах до 1100 0С. ДКМ на основе кобальта и его сплавов применяют для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах.

6.  Дисперсно-упрочненные композиты на основе хрома

Для упрочнения хрома и его сплавов используется оксид магния MgO или оксид тория ThO2. ДКМ на основе сплава 99.5 % Cr и 0.5 % Ti, упрочненный 6 % MgO, называется хром-30, на основе сплава 97 % Cr, 2.5 % V и 0.5 % Si, упрочненный 3 % MgO - называется хром-90, а на основе 93.5 % Cr, 2.5 % V и 1 % Si, 0.5 % Ti, 2 % Ta и 0.5 % C, упрочненный 3 % MgO - хром-90S.

Основное назначение ДКМ на основе хрома – конструкционные материалы, работающие при высоких температурах в окислительной среде. Высокая эрозионная стойкость ДКМ на основе хрома и его сплавов под действием мощных тепловых потоков делает их перспективными материалами для сопел плазмотронов.

Волокнистые металлические композиционные материалы

Методы получения композиционных материалов (КМ) из различных комбинаций волокон и матриц, непосредственно определяются свойствами этих волокон и матриц. Основные методы получения композиционных материалов приведены в таблице 2.

Методы получения композиционных материалов с металлической матрицей классифицируют на три основных категории процессов: твердофазные, жидкофазные и осаждения. Свойства композиционных материалов в большой степени определяются армирующим материалом, его видом (волокно, проволока, фольга), количеством и ориентацией в матрице.

Неметаллические волокна – борные, углеродные, карбида кремния, оксида алюминия, оксида циркония, нитевидные кристаллы карбида и нитрида кремния, оксида и нитрида алюминия и другие.

Металлические армирующие – волокна (проволока) бериллия, вольфрама, молибдена, стали, титановых и других сплавов.

Наиболее широкое применение в качестве матриц для композиционных материалов получил алюминий, так как именно он определяет удельные (отнесенные к плотности) характеристики КМ, благодаря которым эти материалы являются перспективными в различных областях техники.

Композиционный материал ВКА-1 состоит из чередующихся слоев фольги алюминия или алюминиевых сплавов и волокон бора. В композит вносят барьерный слой карбида кремния или нитрида бора для предотвращения взаимодействия алюминия с борными волокнами.

Композиционный материал марки ВКУ-1 на алюминиевой основе, армированный углеродными волокнами, обладает малой плотностью в сочетании с высокой прочностью и является перспективным для создания новых конструкций.

Для применения в различных областях техники перспективными являются КМ на основе алюминия, армированные высокопрочной стальной и бериллиевой проволокой, имеющей высокие прочностные характеристики.

Композиционный материал марки КАС-1 на алюминиевой основе, армированный стальной проволокой, отличается от других КМ доступностью и лучшей тепло - и электропроводностью. В качестве матрицы в этой композиции используется алюминиевая фольга и алюминиевые сплавы, армирующим компонентом служит проволока из сталей ЭП-322 и ВНС-9.

В большинстве зарубежных КМ на основе титана в качестве матрицы используется (α+β) сплав Ti + 6Al + 4V в виде фольги.

Среди композиционных материалов с магниевой матрицей наиболее интересными являются материалы, упрочненные борными волокнами.

Волокнистые композиционные материалы с неметаллической матрицей

В конструкциях летательных аппаратов наиболее широко применяются полимерные композиционные материалы (ПКМ), которые по сравнению с традиционными сплавами имеют ряд преимуществ, позволяющих значительно снизить массу, повысить прочность, жесткость и теплостойкость конструкций.

При получении таких материалов применяют непрерывные и дискретные поликристаллические волокна и нитевидные кристаллы бора, углерода и различных соединений (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других).

Из большого числа разнообразных ПКМ наиболее перспективными являются КМ на основе углеродных волокон, то есть углепластики. К основным преимуществам углепластиков следует отнести: сравнительно малую плотность, высокую статическую прочность и сопротивление усталости, жесткость, коррозионную стойкость, малый коэффициент температурного расширения и электропроводность.

Большое число углеродных волокон можно разделить на две группы:

1.  Высокопрочные волокна с пределами прочности 2.5 – 3.0 ГПа и сравнительно малым модулем упругости 176 – 215 ГПа.

2.  Высокомодульные волокна с пределом прочности 1.4 – 2.2 ГПа и модулем упругости 343 – 350 ГПа.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-3Л на основе эпоксианилиноформальдегидного связующего предназначены для изделий, эксплуатирующихся при температурах 100 0С. До температуры 80 0С Карбоволокниты сохраняют свои прочностные и упругие свойства неизменными.

Карбоволокниты на эпоксифенольном связующем используют в материалах, длительно работающих при температурах до 200 0С. Для материалов, длительно работающих при температурах до 300 0С, применяют карбоволокниты марки КМУ-2, КМУ-2Л на полиимидном связующем.

Предел прочности при изгибе ПКМ линейно уменьшается с ростом температуры вплоть до температуры стеклования связующего.