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.

49. Химический состав, методы получения порошков, свойства и методы их контроля

 

Порошковые материалы – материалы, получаемые в результате прессования металлических порошков в изделия необходимой формы и размеров и последующего спекания сформованных изделий в вакууме или защитной атмосфере.

 

Антифрикционные порошковые сплавы имеют низкий коэффициент трения, легко обрабатываются, имеют хорошую износостойкость.

 

Сплавы на основе цветных материалов применяют в приборостроении и электронной технике. Порошковые материалы применяют при изготовлении деталей, которые имеют простую симметричную форму, небольшие массу и размер.

 

Порошковая металлургия – отрасль технологии, которая занимается производством металлических порошков и деталей из них. Из металлического порошка прессуют заготовки, которые подвергают термической обработке – спеканию. Металлические порошки бывают: железные, медные, никелевые, хромовые, кобальтовые, вольфрамовые, молибденовые, титановые. Различают два способа получения порошков: механический и физико-химический.

 

Наиболее распространенным является способ механического измельчения исходного сырья (стружкою, обрезков). Для измельчения применяются механические мельницы. Механическое измельчение имеет свои недостатки. К ним относят высокую стоимость порошков, которая включает стоимость изготовления исходных литых металлов и сплавов, и относительно низкую производительность процесса.

 

Физико-химические способы получения порошков: восстановление оксидов, осаждение металлического порошка из водного раствора соли. Получение порошка связано с изменением химического состава сырья. Физико-химические способы получения порошков более универсальны, чем механические. Благодаря использованию дешевого сырья физико-химические способы отличаются экономичностью.

 

Химический состав порошков определяется содержанием основного металла или компонента и примесей. Физические свойства порошков определяются размером и формой частиц, микротвердостью, плотностью, созданием кристаллической решетки. Технологические свойства характеризуются текучестью, прессуемостью и спекаемостью порошка.

 

Текучесть – способность порошка заполнять форму. Текучесть имеет большое значение при автоматическом прессовании, где на производительность пресса влияет скорость заполнения формы. Низкая текучесть влияет на неоднородность плотности заготовок.

 

Прессуемостью называют способность порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и прочность сцепления частиц в результате прессования. На прессуемость порошка влияет пластичность материала частиц, их размер и форма. Она повышается с введением в состав порошка поверхностно-активных веществ.

 

Конструкционные материалы, которые используются для изготовления заготовок и готовых деталей, получают при помощи методов порошковой металлургии. Композиционные материалы со специальными физико-механическими и эксплуатационными свойствами широко распространены в промышленности.

 

Антифрикционные металлокерамические материалы используются для изготовления подшипников скольжения. В антифрикционных материалах твердой составляющей является металлическая основа, а мягкой составляющей – поры, заполняемые маслом или пластмассой.

 

Фрикционные композиционные материалы – это сложные композиции, в основе которых находятся медь или железо. Графит или свинец способствуют уменьшению износа композиции. Фрикционные материалы используются как биметаллические элементы, состоящие из фрикционного слоя, который спекается под давлением с основой (диском).

 

Высокопористые материалы используются для изготовления фильтров. Фильтры могут быть изготовлены из порошков коррозионно-стойкой стали, алюминия, титана.

 

Металлические высокопористые материалы производят при помощи спекания порошков, не применяя предварительное прессование. Для выделения газов в процессе спекания в порошки добавляют специальные вещества.

 

Металлокерамические твердые сплавы имеют высокую твердость, теплостойкость и износостойкость. Их используют для изготовления режущих и буровых инструментов, а также наносят на поверхность быстроизнашивающихся деталей.

 

Порошковой металлургией изготовляют алмазно-металлические материалы. В качестве связующего применяют металлические порошки (медные, никелевые).

 

В современной технологии композиционных материалов широкое применение получили волокнистые материалы. Для их получения используют проволоки из вольфрама, молибдена, бора, графита – в зависимости от требуемых свойств создаваемого материала. Металлургия волокна – отрасль порошковой металлургии, которая специализируется на решении вопросов исследования и создания волокнистых материалов.

 

Процесс приготовления смеси включает предварительный отжиг, сортировку порошка по размерам частиц (рассев) и смешение.