штампованных заготовок и прессованных профилей используются для создания тяжелонагруженных крупногабаритных сварных конструкций (силовых рам, узлов поворота и др.), а в виде листов и лент – для деталей обшивки и внутреннего набора самолётов.
Стали аустенитного и аустенитно-ферритного классов
имеют значительно меньший уровень прочности (σв = 700-850 МПа). Эффективность их использования, например, в самолётных конструкциях обусловлена высокой технологической пластичностью, позволяющей изготавливать листовые детали сложной конфигурации – детали внутреннего набора и канала воздухозаборника.
1.5. Композиционные материалы
Композиционные материалы (КМ) представляют собой гетерофазные системы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого компонента.
Для композиционных конструкционных материалов характерны следующие признаки:
−состав и форма компонентов материала определены заранее;
−компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала;
−материал является однородным в макромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная граница раздела).
В большинстве случаев компоненты различны по геометрическому признаку. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объёму, является матрицей. Компонент прерывный, разделённый в объёме композиции, считается
усиливающим или армирующим. Матричными материалами мо-
гут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими или армирующими компонентами чаще всего являются тонкодис-
21
персные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.
В зависимости от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две основные группы: дисперс- но-упрочнённые и волокнистые, которые отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности.
Дисперсно-упрочнённые композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества практически нерастворяющихся в ней частиц второй фазы создаётся структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации.
Известно, что вязкий материал перед разрушением претерпевает значительную пластическую деформацию, которая происходит по дислокационному механизму. Наиболее сильное торможение движения дислокаций вызывают дисперсные частицы второй фазы, например, карбиды, нитриды, бориды и прочие, характеризующиеся высокой прочностью и температурой плавления.
У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная) армирована высокопрочными волокнами, проволокой, нитевидными кристаллами. Идея создания волокнистоармированных структур состоит не в том, чтобы исключить пластическое деформирование матричного материала, а в том, чтобы при его деформировании обеспечивалось нагружение волокон и использовалась бы их высокая прочность.
В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жёсткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон.
Податливая матрица, заполняющая межволоконное пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счёт собственной жёсткости и взаимодействия, существую-
22
щего на границе раздела матрица – волокно. Следовательно, механические свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жёсткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица – волокно. Соотношения этих параметров характеризует весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения.
Армирующие волокна, применяемые в конструкционных композитах, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первым относятся требования по прочности, жесткости, плотности, стабильности свойств в определенном температурном интервале, химиче-
ской стойкости и т. п. Теоретическая прочность материалов σм возрастает с увеличением модуля упругости Е и поверхностной
энергии γ вещества и падает с увеличением расстояния между
соседними атомными плоскостями ао:
σм = (γЕ/ао)1/2.
Следовательно, высокопрочные твердые тела должны иметь высокие модули упругости, поверхностную энергию и возможно большее число атомов в единице объема. Этим требованиям удовлетворяют бериллий, бор, углерод, азот, кислород, алюминий и кремний. Наиболее прочные материалы всегда содержат один из этих элементов, а зачастую состоят только из элементов указанного ряда.
При создании волокнистых композитов применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки, а также волокна и нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и других соединений.
Армирующие компоненты в композитах применяются в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов.
Технологичность волокон определяет возможность создания высокопроизводительного процесса изготовления изделий
23
на их основе. Важным требованием является также совместимость волокон с материалом матрицы, т. е. возможность дос-
тижения прочной связи волокно − матрица при условии обеспечения сохранения исходных значений механических свойств компонентов.
Матричные материалы. В композитах важным элементом является матрица, которая обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, распределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении части волокон. Материал матрицы определяет метод изготовления изделий из композитов, возможность выполнения конструкций заданных габаритов и формы, а также параметры технологических процессов и т. п.
Таким образом, требования, предъявляемые к матрицам, можно разделить на эксплуатационные и технологические. К первым относятся требования, связанные с механическими и физико-химическими свойствами материала матрицы, обеспечивающими работоспособность композиции при действии различных эксплуатационных факторов. Механические свойства матрицы должны обеспечить совместную работу армирующих волокон при различных видах нагрузок. Прочностные характеристики материала матрицы являются определяющими при сдвиговых нагрузках, нагружении композита в направлениях,отличных от ориентации волокон, а также при циклическом нагружении. Природа матрицы определяет уровень рабочих температур композита, характер изменения свойств при воздействии атмосферных и других факторов. С повышением температуры прочностные и упругие характеристики матричных материалов так же, как и прочность их соединений со многими типами волокон, снижается, материал матрицы также характеризует устойчивость композита к воздействию внешней
24
среды, химическую стойкость, частично теплофизические, электрические и другие свойства.
Технологические требования к матрице определяются протекающими обычно одновременно процессами получения композита и изделия из него, т. е. процессами совмещения армирующих волокон с матрицей и окончательного формообразования изделия. Целью технологических операций является обеспечение равномерного (без касания между собой) распределения волокон в матрице при заданном их объемном содержании, максимально возможное сохранение прочностных свойств волокон, создание достаточно прочного взаимодействия на границе волокно - матрица. Таким образом, к материалу матрицы предъявляют следующие требования: хорошая смачиваемость волокна, возможность предварительного изготовления полуфабрикатов (например, препрегов) с последующим изготовлением из них изделий; качественное соединение слоев композита в процессе формования; невысокие значения параметров формообразования (например, температуры, давления) и т. п.
Свойства границы раздела, в первую очередь, адгезионное взаимодействие волокна и матрицы определяют уровень свойств композитов и их сохранение при эксплуатации. Локальные напряжения в композите достигают максимальных значений как раз вблизи или непосредственно на границе раздела, где обычно и начинается разрушение материала. Граница раздела должна иметь определенные свойства, чтобы обеспечить эффективную передачу механической нагрузки от матрицы на волокно. Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием термических и усадочных напряжений, возникающих вследствие различия в температурных коэффициентах линейного расширения матрицы и волокна или в результате химической усадки связующего при его отверждении. Защита волокон от внешнего воздействия также в значительной степени определяется адгезионным взаимодейст-
25