Композиционные материалы на основе металлической матрицы

К композиционным материалам на основе металлической матрицы относят следующие типы материалов:

1) Дисперсионно-упрочненные КМ, в которых в металлической матрице равномерно распределены частицы второй фазы с размерами частиц от 0,01 мкм до 50 мкм. Матрица принимает основную часть нагрузки, а частицы тормозят движение дислокаций. Расстояние между частицами до 1 мкм. Оптимальное содержание второй фазы обычно не превышает 10 – 15 %. Эти материалы могут быть получены на основе большинства металлов и сплавов, применяемых в технике:

а) КМ с алюминиевой матрицей. Основа — алюминий, упрочнение производится частицами Аl₂О₃. Такие КМ получают методом порошковой металлургии — САП-1, САП-2, САП-3. Они сохраняют свои свойства до температур 0,8∙Т_пл.

б) КМ с никелевой матрицей. Матрица — никель, упрочняющая фаза — частицы диоксида тория (ThО₂) или диоксида гафния (НfO₂) — сплавы ВДУ-1 и ВДУ-2, соответственно. Используют как жаропрочные материалы при работе до 1000 – 1200 °С.

в) Металлокерамика. Основа — металлы группы железа и тугоплавких металлов. Частицы — окислы, нитриды, карбиды, бориды и т.д. Материалы обладают повышенной жаропрочностью, теплоэрозионной стойкостью и могут применяться в авиационной и космической технике (камеры сгорания, форсажные камеры, горячие газоводы и др.).

2)Слоистые КМпозволяют получать высокую пластичность, трещиностойкость, коррозионную стойкость в сочетании с хорошей прочностью. Это сплавы алюминия, плакированные чистым алюминием, биметаллы, двух или трехслойные подшипниковые материалы (композиции — сталь-бронза, сталь-бронза-баббит и др.). Сплавы или чистые металлы уложены в них слоями, каждый из которых имеет определенное назначение. Например, композиция для четырехслойного металлического подшипника скольжения: баббит-никель-бронза-сталь. Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость детали. Верхний слой — баббит — улучшает прирабатываемость. Когда он износится, рабочим становится следующий слой — бронза. Слой никеля — барьер, не допускающий диффузию олова из баббита в свинец бронзы.

3) Волокнистые КМ с одномерным наполнителем.Упрочнителем в таких материалах являются волокна и нитевидные кристаллы. Волокна равномерно распределены по объему матрицы, однородно и жестко сцеплены с ней, на границе раздела волокно-матрица нет проскальзывания. Нагрузка распределяется между волокном и матрицей: Р_км ⁼ Р_вол ⁺ Р_матр. Волокно должно иметь более высокие значения модуля упругости, чем матрица.

В качестве волокон используют высокопрочную проволоку из стали, вольфрама, молибдена, титана и их сплавов, стекловолокно, волокна из углерода, бора, волокнистые монокристаллы Аl₂О₃, SiO₂ и др. Между кристаллической матрицей и волокном происходит химическое взаимодействие с образованием интерметаллидов на границе металл – волокно, что обеспечивает надежные соединения матрицы и волокна.

Метод получения волокнистых КМ зависит от размеров, профиля, составляющих материала. Чаще всего используют одновременную прокатку, волочение или прессование при высоких температурах, сварку взрывом. Возможно применение метода пропитки волокон расплавом матрицы и метод направленной кристаллизации расплава эвтектических сплавов. Часто эти методы дополняются прокаткой или прессованием.

4) Волокнистые композиционные материалы:

а) на основе алюминия:

- КАС — армирование алюминия или его сплавов стальной проволокой (матрица — сплавы АД1, АМг6, волокно — сталь 08Х18Н9Т);

- КАС-1 — армирование САПов проволокой стали марки 1Х15Н4АМ3;

- алюминий и его сплавы, армированные волокнами оксида алюминия, карбида кремния, углеволокном и др.;

б) системы алюминий-бор (ВКА-1) — до 50 % боридных волокон. Материалы отличают высокая прочность и жаростойкость, жесткость в сочетании с малым удельным весом. Эти материалы применяют в самолетостроении (обшивки крыла самолета, лонжероны, специальные накладки и т.д.);

в) на основе магния (ВКМ) — армирование волокнами карбида кремния SiC;

г) на основе титана (ВКТ) – титан и его сплавы армируют волокнами бора, борсика, SiC, А1₂О₃, оксидами бериллия и молибдена (Ti-Be, Ti-Be-SiC, Ti-SiC и др.). Прочность таких материалов составляет > 900 МПа, модуль упругости Е — до 210 ГПа;

д) на основе никеля (ВКН). Матрица — жаропрочные никелевые сплавы, армированные сплавами W + 3 % Re или W + l % ThO₂, оксидом алюминия, борными волокнами. Предел прочности такого КМ составляет = 2700 МПа. Никелевые КМ применяют в самолетостроении (теплонагруженные детали двигателей, рабочие и сопловые лопатки турбины, камеры сгорания и т.д.).

5) Эвтектические композиционные материалы — получают в процессе кристаллизации эвтектик. Структура с упорядоченным расположением фаз получается за счет управления температурой кристаллизации, скоростью превращения, направленностью теплоотвода. Одна из фаз формируется в виде волокна или пластин.

Эвтектические композиции имеют высокую прочность, жаропрочность, термическую стабильность.

Применяют в самолето- и ракетостроении (например, лопатки турбины двигателей отливают из сплава Ni₃Al-NiNb).

Композиционные материалы на основе полимерной
матрицы

Конструирование композиционных материалов с полимерными связующими зависит от условий эксплуатации и включает в себя выбор компонентов композиционного материала, выбор формы наполнителя (волокно, жгут, нить, ткань) и выбор способа его укладки. Наполнитель должен иметь близкий к матрице коэффициент линейного расширения. От схемы укладки волокон зависят свойства композита: материал может быть изотропным или анизотропным.

В качестве полимерной основы (матрицы) применяют:

а) термореактивные смолы:

- эпоксидные смолы;

- полиэфирные смолы;

- фенолоформальдегидные и кремний-органические смолы;

б) термопластичные полимеры:

- полиамиды;

- поликарбонаты;

- полисульфоны.

Волокнами для армирования являются:

- филерное стеклянное волокно — тонкие нити диаметром 3 – 40 мкм и длиной 30 – 50 м (кварцевые, кремнеземные);

- борные волокна, полученные осаждением из газовой фазы кристаллического бора на вольфрамовую нить диаметром 12 мкм;

- углеродные волокна, полученные из вискозы или полиакрилнитрила (ПАН);

- органические волокна (полиамиды ПА-6, капрон, нейлон, лавсан, кевлар);

- нитевидные кристаллы — усы Аl₂O₃, SiC, BeO, SiO₂.

Полимерная матрица в композиционных материалах определяет деформационную устойчивость при повышенных температурах, длительную прочность, стабильность характеристик при работе в агрессивных средах, технологию изготовления деталей.

Армирующее волокно обеспечиваетвысокую прочность, усталостную прочность, жесткость конструкции.

Применяют укладку из трех, четырех и более нитей в осевом, радиальном и окружном направлениях (рисунок 10.4).

а – хаотическая; б – слоистая; в – розеточная; г - з – ортогональные;
и – аксиально-радиально-окружная; к – аксиально-спиральная;
л – радиально-спиральная; м – аксиально-радиально-спиральная

Рисунок 10.4 – Схема укладки волокон в композиционных материалах

К композиционным материалам с полимерной матрицей относят:

1) Стекловолокниты — системы, в которых в полимерной матрице распределены стеклянные волокна, стеклонити, стекложгуты, стеклоткани в виде различного плетения. Могут быть однонаправленными и перекрестными. Их основное достоинство — высокая механическая прочность, усталостная прочность, коррозионная стойкость, радиопрозрачность, низкая чувствительность к надрезам, радиационная стойкость. Эпоксидные связующие, совмещенные со стеклотканью, образуют стеклотекстолит, имеющий рабочую температуру до 200 °С. Стеклопластики широко используются в самолетостроении (детали крыльев, фюзеляжа), ракетостроении, в качестве плат в ЭВМ.

2) Бороволокниты представляют собой системы, состоящие из полимерных матриц и борных волокон. Они имеют высокий предел прочности при растяжении и сжатии, модуль упругости, хорошие полупроводниковые свойства, повышенную тепло- и электропроводимость. К недостаткам бороволокнитов относится трудность механической обработки.

Бороволокниты применяют в деталях, где определяющим качеством материала являются удельные значения прочности и жесткости. Эти материалы широко применяют в самолетостроении (профили, стрингеры, лопасти несущих винтов вертолетов и т.д.).

3) Углепластики — КМ, у которых в качестве наполнителя используются углеродные волокна. Они имеют низкую плотность, высокий модуль упругости, термостойкость, низкий коэффициент линейного расширения, высокую износостойкость. Их применяют в самолетостроении, узлах трения подшипников, дисках тормозов и т.д.

4) Органопластики — материалы, в которыхв качестве наполнителя применяют синтетические волокна (полиамиды ПА-6, капрон, нейлон, лавсан). Это самые легкие композиционные материалы, стойкие к ударным циклическим нагрузкам. Они имеют монолитную структуру вследствие химического взаимодействия матрицы и волокна. Недостаток — невысокая прочность. Применение в качестве армирующего материала волокон из термостойких ароматических полиамидов и полиимидов (кевлар, Аримид-Т) придает материалам повышенную прочность и термостойкость. Их применяют в самолетостроении, автостроении в качестве изоляционного и конструкционного материала (обшивка).

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 288; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 101112 13 14 15 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!