Композиционные материалы Композиционными называют ма териалы остоящие из

Композиционные материалы Композиционными называют ма териалы, остоящие из двух компонентов и с более, объединенных различны ми способами в монолит и сохраняющими при этом индивидуальные осо бенности. Для композиционных материалов характерна следующая совокупность признаков: состав, форма и распределение компонентов материала определены за ранее; материалы состоят из двух компонентов и более различного химическо го состава, разделенных в материале границей; свойства материала определяются каждым из его компонентов, содер жание которых в материале достаточно большое; материал обладает свойствами, отличными от свойств компонентов, взя тых в отдельности; материал однороден в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе; материал не встречается в природе, а является созданием человека.

Композиционные материалы Компоненты композиционного материала различны по геометрическо му признаку. Компонент же прерывный, Компонент, который обладает непрерывностью по всему объе му, является матрицей. разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим. В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использо ваны металлы и их сплавы, а также полимеры органические и неорганиче ские, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы оп ределяют ехнологические параметры процесса получения композиции и т ее эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабо чую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред. Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Более широким понятием, чем армирующий или упрочняющий компо нент, является термин «наполнитель» , поскольку наполнитель в матрице по мимо изменения прочности оказывает влияние и на другие характеристики композиции.

Композиционные материалы По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяют на три группы: с нуль мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок; с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит два других; с двухмерными наполнителями, размеры которых значительно превос ходят третий.

Композиционные материалы По схеме расположения компози ционных материалов: наполнителей выделяют три группы с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно другу; с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя в виде волокон, матов из нитевидных кристаллов, фольги или листов в матрице в параллельных плоскостях; с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его распределении.

Композиционные материалы По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы: композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов; композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др. ; композиционные материалы, содержащие компонент из неметалличес ких элементов, углерода, бора и др. ; композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).

Композиционные материалы с нуль-мерными наполнителями Композиции на ме таллической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсны ми частицами различной зернистости: микроскопические с диаметром час тицыd = 0, 01 – 0, 1 мкм; мелкие с диаметром частицы d = 1 – 50 мкм. Композиционные материалы с равномерным распределением частиц упрочнителя отличаются изотропностью свойств. Получают композиции, армированные дисперсными частицами, чаще методами поршковой металлургии, включающей следующие этапы: получение порошковой смеси матричного металла и упрочнителя (рассев по рошков на фракции, смешивание порошков в смесителях различных систем); прессование порошка в компактную заготовку в стальных матрицах (изостатическое прессование) с последующим спеканием.

Композиционные материалы с нуль-мерными наполнителями В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные час тицы армирующего наполнителя препятствуют развитию пластической дефор мации, оказывая сопротивление движению как единичных дислокаций, так и дислокационных образований (субграниц, границ зерен). Эффективное упрочне ние достигается при содержании 5– 10% (об. ) частиц упрочняющего вещества. На уровень прочности композиций оказывают влияние объемное содер жание частиц упрочнителя, степень дисперсности и расстояние между час тицами. Сопротивление увеличивается с уменьшением расстояния между частицами согласно формуле Орована: где G – модуль сдвига материала матрицы; b – межатомное расстояние; l – расстояние между частицами упрочнителя.

Композиционные материалы с нуль-мерными наполнителями Армирующими наполнителями чаще служат дисперсные частицы туго плавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов (Аl 2 O 3, Тh. O 2, Нf. О 2, BN, Si. C, Ве 2 С и др. ). Например, модуль упругости оксидов Th. O 2 и Аl 2 O 3 равен 380, 5∙ 103 и 146, 12∙ 103 МПа, а плотность – 1, 0 и 3, 97 г/см 3 соответственно.

Композиционные материалы с алюминиевой матрицей Промышленное применение нашли композиционные материалы на ос нове алюминия, упрочненные частицами Аl 203. Преимущества САП проявляются при температурах выше 300°С, при которых алюминиевые сплавы разупрочняются. Механические свойства САП при 20 °С Марка САП-1 САП-2 САП-3 Д 20* Содержание Аl 203, % 6– 8 9– 12 13– 17 – σв, МПа 300 320 400 420 σ0. 2, МПа 200 230 340 300 δ, % 7– 9 4 3 11 Е, ГПа 67 71 76 69 При 500°С деформируемые сплавы Д 19, Д 20 имеют прочность в пределах 1– 5 МПа, в то время как, прочность САП 1 σв = 80 МПа, САП 2 σв = 90 МПа, САП 3 σв = 120 МПа.

Композиционные материалы с никелевой матрицей Упрочняющим компонентом в композиционных материалах с никеле вой матрицей являются токсичные частицы диоксида тория (Th. O 2) или диок сида гафния (Нf. O 2) сплавы ВДУ 1 и ВДУ 2 соответ ственно. Объемное содержание упрочняющей дисперсной фазы оксидов тория и гафния нахо дится в пределах 2– 3%. Механические свойства оксидов Th 02 Микротвердость, МПа Предел прочности при сжатии, МПа, при 400 °С 600 °С 800 °С 1000 °С 1372 9690 20 °С 1078 588 490 352, 8 Характеристики длительной прочности сплавов ВДУ 1, ВДУ 2 и стареющего никелевого сплава Марка сплава Полуфабрикат ВДУ-1 ВДУ-2 ВДУ-3 ЖС-6 К ЭП-868 Пруток Лист 900 140 95 105 170 30 σ1000, МПа, при температуре, °С 1000 1100 120 100 80 65 85 65 70 20 15 – 1200 65 40 40 –

Композиционные материалы с одномерными наполнителями В композиционных материалах этого типа упрочнителями являются од номерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон (проволоки). Матрица защищает упрочняющие волокна от повреждений, служит средой, передающей нагрузку на волокна, и перераспределяет напряжения в случае разрыва отдельных волокон. На свойства волокнистой композиции помимо высокой прочности ар мирующих олокон и жесткости пластичной матрицы оказывает влияние в прочность связи на границе матрица – волокно. Для армирования композиционных материалов используют непрерыв ные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до со тен микрометров.

Композиционные материалы с одномерными наполнителями Упрочнение волокнами Волокно, находящееся в матрице, должно иметь более высокие значения модуля упругости, чем у матрицы (Ев > Ем) Малое содержание объемной доли волокна в матрице (VвVкр) нагрузку воспринимают волокна, проч ность которых определяет прочность всей композиции.

Композиционные материалы с одномерными наполнителями Упрочнение волокнами Прочность композиции складывается из суммарной прочности волокон и матрицы: Аналогичным образом изменяется модуль упругости композиции: Критический объём упрочняющих волокон в матрице определяют из уравнения:

Композиционные материалы с одномерными наполнителями Упрочнение волокнами На I стадии матрица деформируются упруго. и волокно На II ста дии матрица переходит в упругопластичное состояние, а волокна деформируются упруго На III стадии прочность компо зиции резко снижается в связи с разрушением хрупких волокон и матрицы. Диаграмма растяжения волокон (1), матрицы (2) и композиции с однонаправленными волокнами

Композиционные материалы с одномерными наполнителями Упрочнение волокнами Волокнистые композиции – ярко выраженный анизотропный материал, механические свойства которого самым существенным об разом ависят от угла з ориентации волокон относительно дейст вующей нагрузки Зависимость прочности однонаправленной композиции от угла ориентации волокон относительно действующей нагрузки

Композиционные материалы с одномерными наполнителями Волокно: Предел прочности, МПа 10"3 Удельная Жесткость, км∙ 10 3 прочность, км Модуль упругости, МПа 10"3 Материал Плотность, г/м 3 Температура расплавления, °С Армирующие материалы и их свойства борное 2040 2, 63 380– 420 2, 5– 3, 5 95– 133 14, 4– 15, 9 углеродное 3000 1, 7 196– 296 1, 96– 2, 96 117– 176 11, 7– 17, 4 оксид 2054 3, 96 500 2, 1– 2, 6 52– 65 12, 6 алюминия Проволока: бериллиевая 1284 1, 8 290 1, 3 55— 65 15, 76 вольфрамовая 3400 19, 3 400 4, 2 21 2, 07 стальная 1300 7, 8 200 3, 6— 4, 0 45— 51 2, 56 2400 3, 3 380 15 455 11, 5 2650 3, 21 580 37 1150 18 1900 3, 18 495 15 472 15, 6 Нитевидные кристаллы: нитрид алюминия карбид кремния нитрид кремния

Композиционные материалы с двумерным наполнителями (слоистые композиты) Слоистые композиты представляют собой соединения двух или более плоских элементов (слоев, пластин), различных по свойствам металлов (сплавов). В зависимо сти от решения задачи СКМ можно разделить условно на две группы: Плакированные материалы – это в ос новном двух и трехслойные композиты, в которых одной или двум поверхностям придают специальные свойства, например, коррозионную стойкость, износостойкость Армированные СКМ это в основном многослойные материалы, в которых слои разнородных материалов распределены по толщине опре деленным образом.

Композиционные материалы с двумерным наполнителями (слоистые композиты) Плакированиие высокопрочных материалов Нанесение на поверхность высокопрочной закаленной стали тонких слоев вязкой стали (сплава) стабилизирует ее механические свойства на высоком уровне. Плакирующие слои предотвращают образование закалочных де фектов, защищая поверхность углеродистой стали от контакта с закалоч ной средой. Плакированием осуществляется перевод наиболее опасных для за каленной стали поверхностных дефектов вовнутрь объема, что снижает их опасность Схема расположения трещины в плакированной (1) и неплакированной (2) стали: 1 – закаленная сталь, плакировка

Композиционные материалы с двумерным наполнителями (слоистые композиты) Слоистый композит отличается от других видов (упрочненных части цами и волокнистых) тем, что составляющие его не имеют объемного взаимного расположения. Поэтому основным условием работы материала при нагружении является наличие достаточной прочности сцепления слоев. В случае, когда составляющие не взаимодействуют между собой, прочность композита можно оценить по уравнению где σА и σВ – прочности составляющих А и В, VA и VB – их объемные доли

Композиционные материалы с двумерным наполнителями (слоистые композиты) Однако при технологических операциях получения изделия в условиях эксплуатации, когда производят нагрев, между разно родными слоями композита проходят диффузионные процессы Когда между составляющими образуется диффузионная зона, такой композит необходимо рассматривать как трехкомпонентную систему, Схема слоистого композита с диффузионной зоной (с) между составляющими (А и В) Теоретическая зависимость прочности при растяжении слоистого композита от объемной доли пластичных составляющих Из приведенной схемы, используя принцип аддитивности, можно за писать где σC и VС – прочность и объемная уравнение: доля диффузионной зоны

Композиционные изделия на основе активированных взрывом полимеров Антифрикционные узлы Композиционный полоз 1 – СВМПЭ; 2 – АПП; 3 – Д 16 Мембраны Покрытие Сварные ёмкости из Ф-4

Антифрикционный никель графитовый композит

Композиционные изделия из сверхпроводящей иттриевой ВТСП керамики

Коаксиальный многожильный сверхпроводящий композит Сталь Cu Nb Ta Cu Sn Nb 3 Sn Nb/Nb. T i

Слоистые интерметаллидные композиты

Температурно временные условия образования интерметаллидов t, o. C 900 Интерметаллиды есть 700 ВТ 1+ст3 500 АД 1+ОТ 4 ВТ 1+М 1 300 АД 1+М 1 АД 1+МА 2 1 Интерметаллидов нет 30 60 90 120 τ, мин

Многослойный титано стальной композит

Жаропрочность композита титан сталь 1000 100 предел прочности, МПа 800 80 60 4 2 400 40 5 1 200 20 6 200 400 600 800 температура испытания, o. C 1 3 – предел прочности, 4 6 – относительное удлинение; 1, 4 – ВТ 1 0; 2, 5 – Fe; 3, 6 – ВТ 1 0+Fe (29 слоев) относительное удлинение, % 3

Микроструктура биметалла алюминий-медь Сварка взрывом 530 о. С 20 часов 380 о. С 530 о. С 30 часов

Биметалл алюминий-медь 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Медь Алюминий КМ после СВ КМ 380 1 час КМ 500 3 часа КМ 500 20 часов КМ 530 4 часа ДП 500 3 часа ДП 500 20 часов ДП 530 4 часа

Микроструктура многослойных композитов алюминий-медь после отжига при 530 о. С, 30 часов 7 слоев х500 х50 15 слоев х500 х50

7 СЛОЕВ 450 400 Медь 350 Алюминий Расчет КМ после СВ 300 КМ 530 3 часа КМ 530 10 часов 250 КМ 530 20 часов КМ 530 30 часов ДП 530 3 часа 200 ДП 530 10 часов ДП 530 20 часов 150 100 50 0 ДП 530 30 часов

15 слоев 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Медь Алюминий Расчет КМ после СВ КМ 530 3 часа КМ 530 10 часов КМ 530 20 часов КМ 530 30 часов ДП 530 3 часа ДП 530 10 часов ДП 530 20 часов ДП 530 30 часов

Композиционные броневые материалы Поведение при импульсном нагружении композита ВТ 6 с+Д 20, полученного сваркой взрывом Форсированный режим СВ Экономия веса образцов мишеней из композита ВТ 6 С+Д 20 в зависимости от соотношения толщин слоев из титанового и алюминиевого сплавов К(%) в сравнении с высокопрочным гомогенным алюминиевым сплавом АБТ 101 Оптимальный режим СВ Экономия веса, в% 40 30 20 10 1, 0 2, 0 1, 5 Коэффициент К 2, 5 3, 0