Композиционные материалы с металлической матрицей Композиционный материал

Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционный материал — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т. д. ), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик. Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит, стекло- и графитопласт, фанера. Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

Технология получения композиционных материалов Способы получения композитов определяются типом наполнителя (волокнистый, порошкообразный), так и агрегатным состоянием (жидкий или твердый). Имеются свои различия и в методах приготовления с наполнителем одного типа. Так, для каждого материала из армированных волокнами пластиков в соответствии с известной классификацией характерен свой способ получения. Основные четыре группы композитов простой классификации: 1) слоистые пластики, или текстолиты, в которых наполнитель применяется в виде слоев волокнистой 2) литьевые и прессовочные композиции, наполненные рублеными волокнами, ровницей, нитями; 3) ориентированные армированные пластики, образующиеся при укладывании стеклянных или синтетических волокон, прядей, нитей, жгутов и пр. параллельно другу при одновременном нанесении на них связующего; 4) стеклопластики на основе предварительно формованных стеклянных волокон или холстов (матов), которые получают методом прессования при низком давлении.

Что касается дисперсных наполнителей, то большинство способов получения композиционных материалов на их основе включает стадию изготовления так называемых пресс-порошков либо мокрым методом, например пропиткой смолами, либо сухим методом, например вальцеванием. В случае использования жидких связующих методы получения композитов различны в зависимости от способа формования. При мокром способе формования в форму укладывают волокнистый или дисперсный наполнитель, который пропитывают жидким олигомерным связующим. Олигомеры по размерам молекул являются промежуточными между мономерами и полимерами. Так, если исходное состояние связующего - твердое (высокомолекулярный твердый полимер), то предварительно готовят раствор связующего. После пропитки и удаления растворителя проводят процесс отверждения, обычно заключающийся в прессовании под небольшим давлением при повышенных температурах. При сухом способе формования в форму помещают предварительно пропитанный связующим и высушенный наполнитель. Последнюю стадию - отверждение - осуществляют, как правило, таким же образом, как и при мокром способе формования. Одним из неприятных явлений, наблюдающихся при изготовлении композитов, являются так называемые усадочные процессы. Дело в том, что в качестве связующего часто используют олигомеры, которые при повышении температуры или при добавлении отверждающего агента превращаются (полимеризуются или поликонденсируются) в полимеры сетчатого строения. Процессы полимеризации и поликонденсации всегда сопровождаются уменьшением объема. Такое уплотнение при переходе от мономера или олигомера к полимеру связано с сокращением межмолекулярных расстояний от 3 -4 до ~1, 54 А (длина валентных связей).

Изменение объема связующего в процессе переработки может привести к искажению формы изделия и возникновению внутренних напряжений, которые губительно сказываются на прочностных характеристиках изделия. Лишь при использовании связующих с минимальной усадкой могут быть получены высококачественные композиционные материалы. Другой серьезный недостаток использования жидких полимеризующихся соединений состоит в том, что вязкость связующего в процессе полимеризации резко возрастает. Поэтому для обеспечения равномерного распределения наполнителя в массе связующего приходится ступенчато повышать давление формования. Имеются свои особенности в процессе изготовления волокнистых композиционныхматериалов типа намоточных изделий. Например, стекловолокно пропускают через ванну с раствором олигомера или полимера такой вязкости, которая обеспечивает необходимое количество связующего, остающегося на колонне. Затем растворитель удаляют и проводят отверждение обычными методами.

Преимущества композиционных материалов материал и конструкция создается одновременно высокая удельная прочность (прочность 3500 Мпа) высокая жёсткость (модуль упругости 130… 140 - 240 Гпа) высокая износостойкость высокая усталостная прочность из композиционных материалов возможно изготовить размеростабильные конструкции легкость

Недостатки композиционных материалов высокая стоимость анизотропия свойств повышенная наукоёмкость производства специальное дорогостоящее оборудование и сырьё

Композиционные материалы с металлической матрицей Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсноупрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

В машиностроении композиционные материалы широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны). Композиционные материалы состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основу неорганических материалов составляют модифицированные различными добавками силикаты магния, железа, алюминия. Фазовые переходы в этих материалах происходят при достаточно высоких локальных нагрузках, близких к пределу прочности металла. При этом на поверхности формируется высокопрочный металлокерамический слой в зоне высоких локальных нагрузок, благодаря чему удается изменить структуру поверхности металла. Полимерные материалы на основе политетрафторэтиленов модифицируются ультрадисперсными алмазографитовыми порошками, получаемыми из взрывных материалов, а также ультрадисперсных порошков мягких металлов. Пластифицирование материала осуществляется при сравнительно невысоких (менее 300 °C) температурах. Металлоорганические материалы, полученные из природных жирных кислот, содержат значительное количество кислотных функциональных групп. Благодаря этому взаимодействие с поверхностными атомами металла может осуществляться в режиме покоя. Энергия трения ускоряет процесс и стимулирует появление поперечных сшивок.

Технические характеристики Защитное покрытие в зависимости от состава композиционного материала может характеризоваться следующими свойствами: толщина до 100 мкм; класс чистоты поверхности вала (до 9); иметь поры с размерами 1 — 3 мкм; коэффициент трения до 0, 01; высокая адгезия к поверхности металла и резины.

Авиация, космонавтика, вооружение и военная техника В авиации и космонавтике с 1960 -х годов существует необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов. Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) композиционные материалы применяются в военном деле для производства различных видов брони: бронежилетов (кевлар), брони для военной техники.