Материал: Композиционные и порошковые материалы. учебное пособие. Лукин А.А., Лукина З.С

Иногда к этой группе КМ относят композиты на основе силицидов металлов типа MoSi₂, NbSi₂ и т. д.

3. Керамические композиционные материалы. В качестве матрицы этих материалов используются неорганические соединения оксидов, карбидов, нитридов и т. п. Это относительно новый класс композиционных материалов, который имеет перспективы, как класс супержаропрочных материалов [2].

4. Композиционные материалы на основе неметаллических компонентов.

Это прежде всего композиционные материалы на основе углерода, которые считаются одними из самых перспективных конструкционных материалов, особенно в сочетании с углеродными волокнами [3].

5. Полимерные композиционные материалы. Особенностью является то, что матрицу образуют различные полимеры, служащие связующими для арматуры, которая может быть в виде волокон, ткани, пленок, стеклотекстолита.

Формирование полимерных композиционных материалов осуществляется прессованием, литьем под давлением, экструзией, напылением.

Широкое применение находят смешанные полимерные композиционные материалы, куда входят металлические и полимерные составляющие, которые дополняют друг друга по свойствам. Например, подшипники, работающие в условиях сухого трения, изготовляют из комбинации фторопласта и бронзы, что обеспечивает самосмазываемость и отсутствие ползучести.

Созданы материалы на основе полиэтилена, полистирола с наполнителями в виде асбеста и других волокон, обладающие высокими прочностью и жесткостью.

Армирующие компоненты, или наполнители во многом определяют свойства КМ. В настоящее время широкое применение нашли армирующие компоненты, изготовленные из: 1) металлов и сплавов (сталь, бериллий, вольфрама, титана и др.); 2) неметаллов, таких как углерод и бор; 3) керамики Al₂O₃, SiC, TiB₂, TiC, AlN и др.; 4) стекол; 5) органических веществ, таких как лавсан, кевлар, полиэтилен и др.

Наиболее подходящей, является классификация по структуре, предложенная Г. Фроммейером [4], где композиционные материалы классифицируются в соответствии с морфологией фаз, составляющих их микроструктуру, или геометрией компонентов.

Согласно этой классификации, композиционные материалы относятся к одному из следующих классов:

1) дисперсноупрочненные композиты и композиты, армированные частицами;

2) волокнистые композиты;

3) слоистые композиционные материалы.

С учетом размера и распределения вторых фаз или армирующих компонентов в каждом из классов композиционных материалов можно выделить подклассы [4]:

- субмикроструктурированные композиты: размер частиц (d), толщина волокна много меньше 1 мкм (d < 1 мкм);

- микроструктурированные композиты: размер частиц, толщина волокна или слоя (d.) имеет порядок микрона (d ~ 1 мкм);

- макроструктурированные композиты: макроскопические размеры компонентов имеют порядок миллиметров (d ~ 0,1 мм).

Рассмотрим характеристики композиционных материалов в соответствии с морфологией фаз или геометрией армирующих компонентов.

1.3. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, армированные частицами

По геометрическому признаку эти композиты относятся к одному классу, так как армирующий компонент является нуль-мерным компонентом, имеющим все три размера одного и того же порядка (рис. 1, а). Частицы второго компонента (фазы) беспорядочно распределены в матрице и в зависимости от их количества могут либо упрочнять матрицу, препятствуя развитию дислокационного скольжения при приложении нагрузки, либо разгружают матрицу, воспринимая часть приложенной нагрузки. В первом случае композиционный материал относится к дисперсноупрочненным, во втором - к армированным частицам и композитам. В дисперсноупрочненных композитах размер частиц d 1 мкм (субмикроструктурированные композиты), а их количество составляет 1...15%. В качестве дисперсных фаз обычно используют оксиды, бориды, карбиды, силициды. Возможно также использование интерметаллидов [5]. Эффективность упрочнения матрицы некогерентными дисперсными частицами фаз зависит от их размера и расстояния между соседними частицами. Наибольший эффект упрочнения наблюдается при размере частиц меньше 0,1 мкм, расстоянии между ними 5, = 0,01...0,3 мкм и количестве около 15% [4].

Дисперсионные композиционные материалы имеют сходство с традиционными дисперсионно-твердеющими сплавами, в которых дисперсные частицы, выделяющиеся при старении, также упрочняют матрицу. Однако в дисперсионно-твердеющих сплавах эффект упрочнения снижается при нагреве за счет растворения, коагуляции и разупорядочивания. Главное же преимущество дисперсноупрочненных композитов состоит не в повышении предела текучести при комнатной температуре, а в способности сохранять высокий уровень предела текучести и соответственно увеличивать сопротивление ползучести матрицы в широкой температурной области. Поэтому в качестве дисперсных фаз целесообразно использовать фазы, которые нерастворимы в матрице и некогерентны с ней.

Роль армирующих частиц сводится не столько к упрочнению матрицы, сколько к перераспределению приложенной нагрузки между матрицей и наполнителем. Причем важное назначение матрицы - это передача нагрузки армирующим частицам. Отметим, что свою роль армирующие частицы выполняют, если их содержание превышает 25 %.

В качестве армирующих компонентов используют металлы, интерметаллиды, оксиды, нитриды и другие вещества, существенно отличающиеся от матрицы по физико-механическим свойствам.

1.4. Волокнистые композиционные материалы

Эти композиты в основном микроструктурированные композиционные материалы, характеризующиеся тем, что в качестве наполнителя используются одномерные армирующие компоненты, один из размеров которых значительно превышает два других.

В волокнистых композиционных материалах пластичная матрица армирована высокопрочными волокнами толщиной от нескольких микрометров до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения. В качестве армирующих волокон могут использоваться: металлические проволоки, усы и кристаллы фаз, полученных направленной кристаллизацией; волокна неметаллов, таких как углерод и бор, полученных по специальным технологиям; керамические волокна на основе Al₂O₃, SiC и др.; стекловолокно; органические волокна (полиэтиленовые, полиэфирные, полиамидные и др.).

Волокна имеют очень высокий уровень свойств. Именно это позволяет реализовать идею создания волокнисто-армированных микро- и макроструктур, как структур материалов, в которых волокна, имеющие более высокий модуль упругости и предел прочности, чем матрица, воспринимают основную долю нагрузки.

Содержание волокон в матрице может меняться в щироких пределах. Теоретически максимальное содержание волокон может достигать 91 % объема. Однако в реальных условиях уже при объемной доле волокон 80 % возникают проблемы на границе раздела волокно-матрица, что приводит к ухудшению свойств волокнистого композита.

Естественно, что выбор природы волокна определяется назначением композита и материалом матрицы, прежде всего физико-химической природой взаимодействия на границе раздела матрица-волокно. Однако при прочих равных условиях комплекс свойств волокнистого композита определяется геометрической схемой армирования (рис. 1). Схемы хаотичного армирования короткими волокнами, одномерно армированные короткими и длинными волокнами, могут быть использованы для любой матрицы, в то время как остальные - в основном только для полимерной матрицы. Следует также отметить, что схемы двумерного и пространственного армирования легче всего реализуются при изготовлении деталей и узлов из полимерных материалов.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50–100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/γ) и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

В табл.1 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.

Таблица 1

Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (σ_В = 2500÷3500 МПа, Е = 38÷420 ГПа) и углеродные (σ_В = 1400÷3500 МПа, Е = 160÷450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют σ_В = 2500÷3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие σ_В = 15000÷28000 МПа и Е = 400÷600 ГПа.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью (σ_В, σ_-1) и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль к поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения,

На рис.3 приведена зависимость σ_В и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек (2) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше σ_В, σ_-1 и Е вдоль оси армирования.

Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно — матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15–20 %.

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис.4, а) с повышением температуры.

1.5. Слоистые композиционные материалы

Этот класс композитов характеризуется тем, что фазы или компоненты расположены послойно (см. рис. 2, в). Они состоят из компонентов, имеющих два размера, которые значительно превышают третий. Естественно, что в слоистых композиционных материалах не имеет смысла делить компоненты на матрицу и арматуру. На субмикроструктурированном уровне слоистые композиты могут быть реализованы при осаждении из паровой фазы, а на микроструктурированном уровне - в слоистых эвтектических структурах, полученных направленной кристаллизацией (например, системы типа Al-CuAl₂, Cd-Sn, Al-Zn, Со-СоВе [4] и др.). На макроскопическом уровне слоистые композиты могут быть реализованы в парах металл-металл, полимер-полимер, металл-полимер. Они представляют собой слои разнородных материалов толщиной от 100 до 1000 мкм с различной природой границы раздела. Однако независимо от природы взаимодействия компонентов на границе раздела связь между слоями олжна быть достаточна для исключения необратимого перемещения одного слоя относительно другого при воздействии механической нагрузки и температуры.

Методы получения композиционных материалов. Классификация композиционных материалов по методам получения является в определенной степени условной и временной, отражающей сегодняшний уровень технологических достижений. В справочнике под реакцией В. В. Васильева и Ю. М. Тарнапольского предложена классификация для металлических композиционных материалов, которая может быть распространена и на другие виды композитов. Можно выделить следующие процессы получения и обработки композитов:

- химические, связанные с химическим, электрохимическим и термохимическим осаждением;

- газо- и парофазные, связанные с конденсацией из газовой и паровой фазы;

- жидкофазные, связанные с направленной кристаллизацией и/или пропиткой подготовленных каркасов наполнителя.

2. Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочным волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие или иную композицию, получили название композиционные материалы (рис.5).

Волокнистые композиционные материалы.

На рис.5 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру l/d ≈ 10÷10³, и с непрерывным волокном, в которых l/d = ∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10–500 нм при среднем расстоянии между ними 100–500 нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5–10об.%.