Волокнистые металлические композиционные материалы

Обновлено: 02.07.2024

У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная) ар­мирована высокопрочными волокнами, проволокой, жгутами и т. п., воспринимающими нагрузку, за счет чего и достигается уп­рочнение композитов. Композит приобретает ряд свойств, которы­ми не обладают его компоненты. При этом появляется возможность создавать материалы или непосредственно детали с заранее задан­ными характеристиками для определенных условий эксплуатации.

Свойства волокнистых композитов определяются природой ма­териалов матрицы и волокна, а также способами армирования. Именно эти параметры лежат в основе классификации композитов.

В зависимости от материала матрицы композиты делятся на пластики (полимерная матрица), металлокомпозиты (металличе­ская матрица), композиты с керамической матрицей и матрицей из углерода.

При создании композиционных материалов применяются высо­копрочные волокна из стекла, бора, углерода, металлической про­волоки и нитевидных кристаллов оксидов, нитридов и других хими­ческих соединений.

Название композита определяется материалами матрицы и во­локна, например, стеклопластик — это композит, у которого материал матрицы — пластмасса, упрочняющий компонент — стекловолокно.

Армирующие компоненты применяются в виде моноволокон, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Различают компо­зиты, образованные из слоев; армированные непрерывными парал­лельными волокнами; армированные тканями (текстолиты). Распо­ложение волокон может быть направленным (одно- или многонаправленным) или хаотическим, двухмерным или трехмер­ным— пространственным (рис. 16.1).

Рис. 16.1. Классификация композитов по конструктивному признаку:

а — хаотически армированные (1 — короткие волокна; 2— непрерывные волокна); б— одномер­но-армированные (1 — непрерывные волокна; 2— короткие волокна); в — двухмерно-армиро­ванные (1 — непрерывные нити; 2 — ткани); г — пространственно-армированные (1 — три се­мейства нитей; 2 — п семейств нитей)

Текстолит — это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смо­лой. Выпускается в виде листов, плит, труб и стержней. Обладает хорошей способностью поглощать вибрационные нагрузки, водостойкостью, высокой ударной вязкостью, электроизоляционными и антифрикционными свойствами. Теплостоек до 80°С. Используется для изготовления зубча­тых колес, вкладышей подшипников скольжения, электро­изоляционных деталей радиоаппаратуры.

Стеклотекстолит отличается от текстолита тем, что в качестве наполнителя используется стеклоткань. Более прочен и теплостоек, чем текстолит, имеет лучшие элек­троизоляционные свойства. Применяется для изготовле­ния корпусов судов, самолетов, автомобилей и других крупногабаритных изделий, для электроизоляционных деталей, работающих при повышенных температурах.

В асботекстолите наполнителем является асбестовая ткань. Кроме электроизоляционных, он имеет хорошие теплоизоляционные и фрикционные свойства. Применяется в качестве теплозащитного и теплоизоляционно­го материала, для изготовления тормозных колодок, дисков сцепления и др.

Гетинакс представляет собой материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой. Он обладает электроизоляционными свойства­ми, устойчив к действию химикатов, может применять­ся при температуре до 120-140 °С. Применяется в элект­ротехнике для изготовления печатных плат, в электри­ческих машинах и трансформаторах в качестве изоляции, как декоративно-облицовочный материал.

Материалы матриц волокнистых композитов. Матрица должна обеспечивать монолитность композита, фиксировать форму изде­лия и взаимное расположение армирующих волокон. Она обеспечи­вает равномерную нагрузку на армирующие волокна и перераспре­деление нагрузки в случае разрушения части волокон. Кроме того, материал матрицы определяет технологию изготовления изделий из композита. Таким образом, требования, предъявляемые к свойст­вам материала матриц, можно разделить на эксплуатационные и технологические.

К первым относятся механические, физические и химические свойства, которые определяют возможность эксплуатации компози­та в различных условиях. Прочность матрицы должна быть такой, чтобы обеспечить совместную работу всех армирующих элементов. При нагрузках, приложенных в направлениях, отличных от ориен­тации волокна, прочность композита определяется во многом, если не в основном, прочностью матрицы. Природа матрицы обусловли­вает также уровень рабочих температур и среду эксплуатации ком­позита.

В процессе операций изготовления композита должны быть обеспечены следующие условия:

• равномерное (без касания между собой) распределение воло­кон в матрице;

• достаточно прочная связь на границе раздела.

Для этого материал матрицы должен обеспечить хорошую смачиваемость волокна. Смачивание характеризуется растеканием жидкости по поверхности твердых тел. Если капля жидкости расте­кается по поверхности твердого тела, она его смачивает. Если же она принимает сферическую форму, например, капля ртути на стекле, жидкость обладает плохой смачивающей способностью.

Кроме того, желательно иметь невысокие значения параметров формообразования: температуру, давление, чтобы избежать измене­ния свойств или даже разрушения упрочняющей фазы, а также с целью снижения энергозатрат в процессе изготовления композита.

В качестве материала для изготовления матриц наибольшее при­менение нашли полимеры, углерод и металлы.

Для изготовления полимерных матриц используют термореактив­ные эпоксидные и полиэфирные смолы, а также целый ряд термо­пластичных пластмасс. Свойства полимерной матрицы достигаются в результате полимеризации и отверждения (для реактопластов), при этом материал матрицы должен иметь низкую усадку.

Недостатками пластиков являются их низкие жесткость, проч­ность и теплостойкость. Более высокая теплостойкость присуща термореактивным, а не термопластичным пластмассам. Наиболее теплостойкими (до 300÷350 °С) являются кремнийорганические и полиамидные пластмассы (табл. 16.2).

Таблица 16.2. Свойства полимерных матриц

Широкое применение для изготовления матриц нашли эпоксид­ные смолы. Они обладают более высокими механическими свойст­вами, что обеспечивает композиционным материалам на их основе большую прочность при сжатии и сдвиге. Их отверждение происхо­дит при сравнительно низких температурах и с небольшой усадкой. При изготовлении деталей не требуется высоких давлений, что важ­но при создании композитов, армированных высокопрочными, хрупкими волокнами, так как снижается вероятность их поврежде­ния.

Углеродная матрица обладает высокими значениями механиче­ских характеристик, высокой теплостойкостью (свыше 2000 °С в не­окислительной среде), низкими коэффициентами трения и темпе­ратурного расширения, высокой химической стойкостью.

Металлическая матрица характеризуется высокими значениями прочностных характеристик, ударной вязкости, модуля упругости. Металлы сохраняют свои свойства в более широком интервале тем­ператур, чем полимеры. В качестве матричных материалов преиму­щественно используют алюминий, титан, сплавы на их основе и магниевые сплавы.

В качестве матричного материала на основе алюминия применя­ют как технический алюминий, так и сплавы на его основе: АМц, АМг2, АМг6, Д16, Д20, В95 и др. Использование этих сплавов по­зволяет изменять механические характеристики матриц в достаточ­но широком пределе. Так, предел прочности сплава АМц составля­ет 130МПа, АМг6 - 300МПа, Д16 - 500МПа, В95 - 600 МПа. Модуль упругости алюминиевых сплавов — около 70 ГПа. Сплавы обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью. Для алюминиевых сплавов характерна высокая технологичность, они пластичны, хорошо обрабатываются резанием, заготовки могут быть получены вакуумной или аргоно-дуговой сваркой.

Магниевые сплавы обладают плотностью меньшей, чем алюми­ниевые, однако они уступают им по прочности, модулю упругости и технологичности. Так, предел прочности сплавов МА2-1, МА5, МА8, используемых в качестве матричных материалов,— 250÷300 МПа, модуль упругости около 40 ГПа. Горячая пластичность этих сплавов ниже, чем у алюминиевых.

Титановые сплавы ( в качестве матричного используют, напри­мер, сплав, содержащий 90 % Тi, 6 % А1, 4 % V) имеют более высо­кие, чем у алюминиевых и магниевых сплавов, модуль упругости, Е= 140 ГПа, и предел прочности — до 1000 МПа. Они сохраняют прочностные характеристики при нагреве до температур 300÷450 °С. Сплавы обладают удовлетворительной пластичностью в горячем со­стоянии. Однако для их пластической деформации необходимы достаточно высокие напряжения. Это затрудняет получение компо­зитов с хрупкими армирующими волокнами.

Армирующие компоненты композиционных материалов. Армирую­щие волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в процессе эксплуатации, и обеспечивают жесткость и прочность композита в направлении ориентации волокна. Таким образом, во­локна должны обладать высокой прочностью и жесткостью, т. е. большим модулем упругости Е, химической стойкостью, и сохра­нять этих свойств в интервале эксплуатационных температур.

В качестве армирующих используют моноволокна, жгуты или ткани, сформированные из моноволокна. Основное применение получили следующие типы волокон.

Стеклянные волокна наиболее широко применяют при создании композитов с неметаллической матрицей. При малой плотности они имеют высокую прочность и теплостойкость, нейтральны к хи­мическому и биологическому воздействию. Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекломассы через фильеры диаметром 0,8÷3 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием их до диаметра 3÷9 мкм. Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем (например, парафиновая эмульсия) для предотвра­щения истирания волокон при транспортировке и технологических операциях.

Органические волокна используют для получения композитов с полимерной матрицей. Вследствие низкой плотности они обладают высокой удельной прочностью, превосходящей все известные в на­стоящее время армирующие волокна и металлические сплавы. При­меняют волокна на основе ароматических полиамидов, которые об­ладают высокими значениями предела прочности при растяжении и модуля упругости.

Прочность углеродного волокна достигает 1500÷2000 МПа, что cоответствует прочности молибденовой проволоки.

Борные волокна обладают по сравнению с другими армирующи­ми компонентами большим модулем сдвига G. Бор является полу­проводником, поэтому композиты с таким волокном имеют пони­женные тепло- и электропроводность. Метод получения борных волокон — химическое осаждение бора из смеси газов (2ВС1₃ + ЗН₂ →2В + 6НС1) на вольфрамовую подложку при температуре около 1100 °С. Эти волокна применяют при создании композитов как с металлической, так и с полимерной матрицей.

Волокна из карбида кремния имеют пониженные механические свойства по сравнению с волокнами из бора и углерода, для них ха­рактерна повышенная чувствительность к поверхностным дефек­там. Их используют для металлокомпозитов, работающих при высо­ких температурах.

Металлические волокна и проволоки являются наиболее эконо­мичными. Для композитов, работающих при низких температурах, используют стальные и бериллиевые проволочные волокна, а экс­плуатируемых при высоких температурах — вольфрамовые или мо­либденовые. Стальные волокна в основном изготовляют из высоко­прочной коррозионностойкой стали.

Коротковолокнистая арматура. Диаметр волокон — 1÷10 мкм при средней длине 275 мкм. Особо высокая жесткость и прочность, близкая к теоретической, характерны для нитевидных кристаллов («усов»), что обусловлено совершенством их структуры. Нитевид­ные кристаллы могут быть использованы для создания композитов с различными матричными материалами. Свойства некоторых ар­мирующих волокон приведены в табл. 16.3.

Таблица 16.3. Свойства волокон и нитевидных монокристаллов

Тканые армирующие материалы используют для получения слоистых композитов. Используются стеклоткани, углеткани, органоткани с разным типом плетения.

Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы, упрочненной высокопрочными 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 ту или иную композицию, получили название композиционные ма­териалы.

Схема структуры (а) и армирования непрерывными волокнами (б) композиционных материалов:

1 — зернистый (дисперсно-упрочненный) материал; 2 — дискретный волокни­стый композиционный материал; 3 — непрерывно волокнистый композиционный ма­териал; 4 — непрерывная укладка волокон; 5 — двухмерная укладка волокон; 6,7 — объемная укладка волокон

Композиционные материалы с волокнистым наполни­телем по механизму армирующего действия делят на дискретные и с непрерывным волокном. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

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.

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

Прочность композиционных 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.

Материал	σВ	σ-1	E, ГПа	σВ/γ	E/ γ
MПа
Бор — алюминий Бор— магний Алюминий — углерод Алюминий — сталь Никель — вольфрам	1300 1300	84,6 100 100 24,40

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

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материа­лов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления в 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 с повы­шением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.

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.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных туго­плавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяю­щихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую проч­ность материала. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные ком­позиционные материалы могут быть получены на основе большин­ства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия — САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из алюми­ния и дисперсных чешуек А1₂О₃. Частицы А1₂О₃ эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность сплава. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и корро­зионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250-500 °С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С составляет 45—55 МПа.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Широкое применение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный дву­окисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni + 20 % Cr, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. Дисперсно-упрочненные компози­ционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупроч­нению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре.

Области применения композиционных материалов не ограни­чены. Они применяются в авиации для высоконагруженных де­талей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т. д.), в косми­ческой технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энерге­тических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Композиционные материалы на основе металлической матрицы

По структуре и геометрии армирования композиты на основе металлической матрицы могут быть представлены в виде волокнистых (МВКМ), дисперсно-упрочненных (ДКМ), псевдо- и эвтектических сплавов (ЭКМ), а в качестве материала основы наиболее широко применяют такие металлы как Al, Mg, Ti, Ni, Co.

Свойства и методы получения МВКМ на основе алюминия. МВКМ Al-стальные волокна. При получении КМ, состоящих из чередующихся слоев алюминиевой фольги и волокон, чаще всего используют прокатку, динамическое горячее прессование, сварку взрывом, диффузионную сварку. Прочность этого типа композита, в основном, определяется прочностью волокон. Введение в матрицу высокопрочных стальных проволок повышает предел выносливости композита.

МВКМ Al-кремнеземные волокна получают, пропуская волокна через расплав матрицы, с последующим горячим прессованием. Скорость ползучести этих МВКМ при температурах 473-573 К на два порядка ниже ползучести неармированной матрицы. Композиты Al – SiO₂ обладают хорошей демпфирующей способностью.

МВКМ Al-борные волокна относятся к наиболее перспективным конструкционным материалам, поскольку обладают высокими прочностью и жесткостью при температурах до 673-773 К. При изготовлении широко используется диффузионная сварка. Жидкофазные методы (пропитка, различные виды литья и т. д.), ввиду возможности химического взаимодействия бора с алюминием, применяют лишь в тех случаях, когда на волокна бора предварительно нанесены защитные покрытия – карбид кремния (волокна борсик) или нитрид бора.

МВКМ Al-углеродные волокна имеют высокие показатели прочности и жесткости при малой плотности. Однако большой недостаток углеродных волокон – их нетехнологичность, связанная с хрупкостью волокон и их высокой реакционной способностью. Обычно МВКМ Al – углеродные волокна получают пропиткой жидким металлом или методом порошковой металлургии. Пропитку используют при армировании непрерывными волокнами, а методы порошковой металлургии – при армировании дискретными волокнами.

Свойства и методы получения МВКМ на основе магния. Использование магния и магниевых сплавов в качестве матрицы, армированной высокопрочными и высокомодульными волокнами, позволяет получить легкие конструкционные материалы с повышенными удельной прочностью, жаропрочностью и модулем упругости.

МВКМ Mg-борные волокна отличаются высокими прочностными свойствами. Для изготовления МКМ можно применять методы пропитки и литья. Листовые композиции Mg – B изготовляют методом диффузионной сварки. Недостатком МКМ Mg – B является пониженная коррозионная стойкость.

МВКМ Mg-углеродные волокна получают пропиткой или горячим прессованием в присутствии жидкой фазы, растворимость углерода в магнии отсутствует. Для улучшения смачивания углеродных волокон жидким магнием их предварительно покрывают титаном (путем плазменного или вакуумного напыления), никелем (электролитически) или комбинированным покрытием Ni – B (химическим осаждением).

Свойства и методы получения МВКМ на основе титана. Армирование титана и его сплавов повышает жесткость и расширяет диапазон рабочих температур интервала до 973-1073 К. Для армирования титановой матрицы применяют металлические проволоки, а также волокна карбидов кремния и бора. Композиты на основе титана с металлическими волокнами получают прокаткой, динамическим горячим прессованием и сваркой взрывом.

МВКМ Ti – Mo (волокна) получают методом динамического горячего прессования заготовок типа «сэндвич» в вакуумированных контейнерах. Такое армирование позволяет повысить длительную прочность по сравнению с матрицей и сохранить прочность при высоких температурах. Одним из недостатков МВКМ Ti – Mo является высокая плотность, что снижает удельную прочность этих материалов.

МВКМ Ti – B, SiC (волокна) имеют повышенные не только абсолютные, но и удельные характеристики МВКМ на основе титана. Так как эти волокна хрупки, то для получения компактных композиций чаще всего используют диффузионную сварку в вакууме. Длительные выдержки МВКМ Ti – B при температурах выше 1073 К под давлением приводят к образованию хрупких боридов титана, разупрочняющих композит. Карбидокремниевые волокна более устойчивы в матрице. Композиты Ti - B обладают высокой кратковременной и длительной прочностью. Чтобы повысить термическую стабильность волокон бора их покрывают карбидом кремния (борсик). Композиты Ti – SiC имеют высокие значения внеосевой прочности предела ползучести.

В системе МВКМ Ti – Be (волокна) взаимодействие при температуре ниже 973 К отсутствует. Выше этой температуры возможно образование хрупкого интерметаллида, при этом прочность волокон практически не изменяется.

Свойства и методы получения МВКМ на основе никеля и кобальта. Существующие виды упрочнения промышленных никелевых сплавов (дисперсное твердение, карбидное упрочнение, сложное легирование и термомеханическая обработка) позволяют сохранить их работоспособность только до интервала температур 1223-1323 К. Поэтому важным явилось создание МВКМ никеля, армированных волокнами и способных работать длительное время при более высоких температурах. Применяют следующие упрочнители:

- нитевидные кристаллы («усы»); - проволоки тугоплавких металлов; - керамические и углеродные волокна.

В системе МВКМ Ni - Al₂O₃ (волокна) при нагреве на воздухе образуется оксид никеля, который взаимодействует с арматурой, в результате чего на границе образуется шпинель NiAl₂O₄. При этом связь между компонентами нарушается. Для увеличения прочности связи на арматуру наносят тонкие покрытия из металлов (W, Ni, нихром) и керамики (оксиды иттрия и тория). Так как жидкий никель не смачивает Al₂O₃, в матрицу вводят Ti, Zr, Cr, которые улучшают условия пропитки.

При комнатной температуре прочность композита никель - нитевидные кристаллы Al₂O₃, полученного электроосаждением никеля на волокна, существенно превышает прочность матрицы.

МВКМ Ni - C (волокна). Никель практически не растворим в углероде. В системе Ni – C образуется метастабильный карбид Ni₃C, устойчивый при температурах выше 1673 К и ниже 723 К. Обладая высокой диффузионной подвижностью, углерод насыщает никелевую матрицу за короткое время, поэтому главными разупрочняющими факторами в МВКМ Ni – C является растворение углеродных волокон и их рекристаллизация вследствие проникновения никеля в волокно. Введение в никелевую матрицу карбидообразователей (Cr, Al, Ti, Mo, W, Nb) усиливает взаимодействие матрицы с волокнами. Для повышения структурной стабильности на волокна наносят противодиффузионные барьерные покрытия из карбида и нитрида циркония, карбида титана.

МВКМ N – W, Mo (волокна) получают динамическим горячим прессованием, диффузионной сваркой, сваркой взрывом, прокаткой. В связи с тем, что W, Mo интенсивно окисляются при нагревах, композиты получают в вакууме или защитной атмосфере. При нагреве МВКМ на воздухе происходит окисление волокон вольфрама или молибдена, расположенных на поверхности композита. Если волокна не выходят на поверхность, то жаростойкость МВКМ определяется жаростойкостью матрицы.

Области применения МВКМ. Композиционные волокнистые материалы с металлической матрицей применяют при низких, высоких и сверхвысоких температурах, в агрессивных средах, при статических, циклических ударных, вибрационных и других нагрузках. Наиболее эффективно используются МВКМ в конструкциях, особые условия, работы которых не допускают применения традиционных металлических материалов. Однако, чаще всего, в настоящее время армированием металлов волокнами стремятся улучшить свойства матричного металла, чтобы повысить рабочие параметры тех конструкций, в которых до этого использовали неармированные материалы. Использование МВКМ на основе алюминия в конструкциях летательных аппаратов, благодаря их высокой удельной прочности, позволяет достичь важного эффекта – снижения массы. Замена традиционных материалов на МВКМ в основных деталях и узлах самолетов, вертолетов и космических аппаратов уменьшает массу изделия на 20-60 %.

Наиболее актуальна в газотурбостроении задача повышения термодинамического цикла энергетических установок. Даже малое повышение температуры перед турбиной значительно увеличивает КПД газотурбинного двигателя. Обеспечить работу газовой турбины без охлаждения или, по крайней мере, с охлаждением, не требующим больших конструктивных усложнений газотурбинного двигателя, можно, используя высокожаропрочные МВКМ на основе никеля и хрома, армированные волокнами Al₂O₃.

Алюминиевый сплав, армированный стекловолокном, содержащим оксид урана, обладает повышенной прочностью при температуре 823 К и может быть использован в качестве топливных пластин ядерных реакторов в энергетике.

Волокнистые металлические композиты используют в качестве уплотнительных материалов. Например, статические уплотнения, изготовленные из Mo или стальных волокон, пропитанных медью или серебром, выдерживают давление 3200 МПа при температуре 923 К.

Как износостойкий материал в коробках передач, дисковых муфтах, пусковых устройствах можно использовать МВКМ, армированные «усами» и волокнами. В армированных W-проволокой магнитотвердых материалах удается сочетать магнитные свойства с высоким сопротивлением ударным нагрузкам и вибрациям. Введение арматуры из W, Mo в медную и серебряную матрицу позволяет получать износостойкие электрические контакты, предназначенные для сверхмощных высоковольтных выключателей, в которых сочетаются высокие тепло- и электропроводность с повышенным сопротивлением износу и эрозии.

Принцип армирования можно положить в основу создания сверхпроводников, когда в матрицах из Al, Cu, Ti, Ni создают каркас из волокон сплавов, обладающих сверхпроводимостью, например, Nb – Sn, Nb – Zr. Такой сверхпроводящий композит может передавать ток плотностью 10 5 -10 7 А/см 2 .

Волокнистые металлические композиционные материалы

Представлен обзор научно-технической литературы в области композиционных материалов (КМ) на основе металлических матриц, армированных углеродными волокнами. Кратко описаны основные структурные, физико-механические свойства и морфология таких КМ. Рассмотрены структура и свойства новых КМ из металло-интерметаллидных многослойных ламинатов, армированных углеродными и керамическими волокнами. Применение метода ультразвуковой консолидации для изготовления многослойных волокнистых КМ на основе металло-интерметаллидных ламинатов обеспечивает высокую адгезию волокон с интерметаллидным слоем.

Ключевые слова: композиционный материал, алюминий, титан, углеродные волокна, керамические волокна, металло-интерметаллидный ламинат, composite material, aluminum, titanium, carbon fibers, ceramic fibers, metal-intermetallic laminate.

Введение

При создании высокоэффективных конструкций в различных отраслях промышленности необходимо использовать новые композиционные материалы (КМ) и технологии, включающие оригинальные конструкторско-технологические решения [1–3].

Одними из перспективных конструкционных материалов, обладающих улучшенными характеристиками, являются материалы, получаемые с помощью различных видов армирования, такие как металломатричные КМ, состоящие из металла или сплава в качестве сплошной матрицы и армирующего компонента в виде частиц, а также коротких или непрерывных волокон [4–8]. В металломатричном КМ основные металлические матрицы – это сплавы алюминия, титана, меди, магния. Алюмоматричные КМ широко внедряют в автомобильную, оборонную, транспортную и аэрокосмическую отрасли, а также их применяют в качестве материалов для терморегулирования в электронной промышленности [9]. В таких КМ матрицей может выступать чистый алюминий или различные сплавы системы Al–Si. По некоторым научно-техническим литературным данным в КМ с алюминиевой матрицей, армированной углеродным волокном, смачивание волокон осуществляется в достаточной степени, что может улучшить механические свойства [9–12].

Конструкции из титана, хотя и отличаются высокими удельными механическими характеристиками, не обладают достаточной жесткостью, особенно при высоких температурах [13]. Для придания жесткости титановым пластинам толщиной 1 мм необходимы высокомодульные волокна, обладающие достаточно хорошей химической совместимостью с титаном, которые пока отсутствуют. В настоящее время единственным наиболее подходящим материалом для создания композитов с титановой матрицей являются высокомодульные углеродные волокна. Селективное армирование пластин из титана небольшой толщины позволяет обеспечивать контроль высокой реакционной способности соединения «титана/углерод» и создавать подходящие методы обработки [13–15].

В конструкциях авиационных деталей также используются ламинированные структуры, состоящие из чередующихся слоев металлических листов и армированных волокнами полимерно-матричных композитов. По сравнению с обычными монолитными металлами они обладают высокой удельной прочностью и жесткостью, отличными характеристиками сопротивления усталости и повышенной огнестойкостью [16].

Армированный стекловолокном алюминиевый ламинат в настоящее время применяется в обшивке самолета A380. Однако модуль упругости и предел рабочих температур ограничивают его разработку, в то время как титановые сплавы обладают более высокой термостойкостью по сравнению с алюминиевыми сплавами, но применение титанового сплава вместо алюминиевого может еще больше повысить удельную прочность и жесткость ламинатов.

В сочетании с высокотемпературной смолой – полиэфирэфиркетоном, ламинаты на основе титана, армированные графито-углеродным волокном, показывают их перспективность для нового поколения сверхзвуковых самолетов и аэрокосмических аппаратов.

Для улучшения механических свойств КМ со слоистой структурой, включая металлический пластичный слой и интерметаллидный слой (Ti–Al₃Ti), вводят различные непрерывные волокна – углеродные (C), карбида кремния (SiC) и оксида алюминия (Al₂O₃). С применением различных технологий обработки получают ряд интерметаллидных металлических слоистых КМ таких систем, как Ti–Al, Ni–Al, Nb–Al и Ti–Cu. Считается, что применение таких многослойных титано-алюминиевых КМ с высокими физико-механическими свойствами потенциально возможно в аэрокосмической промышленности и области броневой защиты. С использованием новой технологии быстрого прототипирования для изготовления трехмерных структур посредством аддитивного производства из металлической фольги применялась ультразвуковая консолидация. Во время процесса ультразвуковой консолидации, вибрация ультразвуковой частоты в сочетании с номинальной силой использовалась для создания статических и осциллирующих поперечных сил между слоями металлической фольги, которые образовывали твердотельное соединение. Более того, ультразвуковую консолидацию использовали для соединения разнородных материалов, таких как Ti–Al, Cu–Al и Fe–Al, при низких температурах (~480 °С). Таким образом, ультразвуковая консолидация может применяться в качестве вспомогательного метода для диспергирования пучков волокон в отдельные волокна в матрице сплава перед формированием КМ [17–19].

Цель данной работы – анализ научно-технических данных в области исследований ламинированных КМ из металлических матриц, армированных непрерывными углеродными и керамическими волокнами, их структуры и свойств.

Композиционные материалы с металлическими матрицами

Для более подробных исследований в области доступных волокон, матричных сплавов, покрытий на поверхности волокон, производственных процессов и их влияния на свойства все чаще уделяют внимание КМ с алюминиевой матрицей, армированной непрерывными углеродными волокнами. Наиболее предпочтительными методами их изготовления являются литье под давлением и порошковая металлургия.

В работе [9] проведены исследования по определению механических характеристик КМ, полученного с помощью метода литья под давлением с использованием матричного алюминиевого сплава AA6061, который армирован углеродным волокном. Исследования показали, что повышение содержания армирующего компонента с 0 до 10 % (объемн.) позволяет увеличить крутящий момент с 24,5 до 52 Н·м, предел прочности при растяжении – с 283 до 315,5 МПа, а также повысить ударную вязкость при содержании 10 % (объемн.) углеродного волокна – до 12,2 Дж [9].

На микроструктуре КМ из алюминиевого сплава марки AA6061 и углеродного волокна видно, что углеродные волокна равномерно распределены в матрице, а также присутствует межфазная адгезия (рис. 1).

Рис. 1. Микроструктура композиционного материала из алюминиевого сплава AА6061 и углеродного волокна [9]

В аналогичных работах [10–12] авторы подробно описывают физико-механические характеристики материалов с разными матричными сплавами (содержание армирующих углеродных волокон – от 5 до 50 % (объемн.)) и механизмы разрушения композитов после проведенных испытаний. В работах [10, 11] проводились исследования теплофизических и механических свойств КМ, полученных методом порошковой металлургии на основе алюминиевой матрицы, армированной углеродными волокнами. Установлено, что при увеличении объемного содержания углеродного волокна твердость, электропроводность и прочность снижаются: с 71 до 56 HB, с 30,9 до 14,5 См и с 529 до 214 МПа соответственно, теплопроводность увеличивается до 155 Вт/(м·К) [11], а температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) снижается – с 36·10 –6 до 8·10 –6 К –1 [10].

На рис. 2 представлена микроструктура прессованного КМ с разным объемным содержанием углеродного волокна. Видно, что светлая фаза в структуре – алюминиевая матрица на основе сплава AA7075, а черные точки – углеродные волокна, которые распределены равномерно.

В работе [12] исследованы механические свойства образцов из ламинированного КМ. В результате показано, что пределы прочности при растяжении и изгибе на образцах из КМ увеличиваются с 283 до 316 МПа и с 1790 до 2520 МПа соответственно, а испытания на удар, проводимые для определения энергии удара, показали, что измеренная величина энергии одинакова и равна ~10 Дж.

Рис. 2. Микроструктура композиционного материала на основе алюминиевой матрицы сплава марки AA7075 с содержанием углеродных волокон 10 (а), 20 (б) и 30 % (объемн.) (в) [10, 11]

В работах [13, 14] проведены исследования КМ, изготовленного на основе титановой матрицы сплава марки Ti6Al4V с армирующим углеродным волокном марки FT500 методом порошковой металлургии. Показано, что при взаимодействии титана с углеродом диффузия углерода внутрь титана в основном происходит за счет диффузии углерода через карбид титана. В работе [13] описан способ получения титаноматричного КМ путем: приготовления суспензии из смеси порошка титана и растворенного полимера, используемого в качестве связующего; пропитки пучков волокон; сушки преформ для удаления растворителя; удаления полимерного связующего и уплотнения преформ при высокой температуре в сжатом состоянии при горячем прессовании.

На рис. 3 показана микроструктура полученного титаноматричного КМ, армированного углеродным волокном, и образование карбида титана на границе раздела «углеродное волокно–матрица» после горячего прессования. Искусственное введение тонкого (~100 нм) непрерывного слоя на основе карбида титана между слоями титана и углерода, который получен реактивным химическим осаждением из газовой фазы, авторы работы [14] считают наилучшим решением для предотвращения естественного неконтролируемого образования кристаллитов на основе карбида титана (рис. 3, а). На микроструктуре полученного КМ видно довольно хорошее распределение волокон при армировании матрицы (рис. 3, б) [13].

Рис. 3. Микроструктуры образования кристаллитов карбида титана на границе раздела «углеродное волокно–матрица» (а) и титаноматричного композиционного материала, содержащего 35 % (объемн.) углеродного волокна (б) [13, 14]

В работе [14] объяснено взаимодействие между титаном и углеродом, связанное с диффузией углерода в титане, которая приводит к образованию кристаллитов карбида титана на границах зерен титана. В работе [15] также показаны наиболее вероятные превращения в системе Ti–C.

Значения полученных механических характеристик титаноматричного КМ по сравнению со значениями для титановой матрицы имеют незначительные отклонения, которые, по-видимому, связаны с охрупчиванием матрицы и существенной деградацией или дезориентацией волокон. В результате испытаний у такого КМ предел прочности при растяжении составляет 599 МПа, модуль упругости 114 ГПа, предел текучести 384 МПа и деформация при растяжении 22 % при небольшом объемном содержании углеродного волокна (7 %). Можно предположить, что низкие значения прочности связаны с недостаточным объемным содержанием волокна [13].

Волокнистые металлические слоистые композиционные материалы

Зарубежные исследователи уделяют повышенное внимание получению КМ на основе металло-металлических КМ ламинированной структуры. В работе [16] проведено исследование и показаны характеристики слоистого КМ с армирующими углеродными волокнами и без них. Для изготовления КМ из металло-интерметаллидного ламината использован метод горячего прессования и спекания с ультразвуковой консолидацией.

Микроструктура КМ из металло-интерметаллидного ламината системы C–Ti–Al₃Ti представлена из титановых интерметаллидных (Al₃Ti) слоев и углеродных волокон. На рис. 4 видно, что углеродные волокна внедрены в поверхностный слой материала и равномерно распределены в интерметаллидном слое на основе Al₃Ti [16].

Рис. 4. Микроструктура композиционного материала из металло-интерметаллидного ламината системы C–Ti–Al₃Ti [16]

В таблице приведены сравнительные свойства КМ из металло-интерметаллидных ламинатов систем Ti–Al₃Ti и C–Ti–Al₃Ti [16].

Сравнительные свойства композиционных материалов

из металло-интерметаллидных ламинатов систем Ti–Al₃Ti и C–Ti–Al₃Ti [16]

Предел прочности при сжатии, MПa,

в направлении приложения нагрузки

Как видно из данных таблицы, средние значения предела прочности при растяжении КМ из металло-интерметаллидных ламинатов систем Ti–Al₃Ti и C–Ti–Al₃Ti составили 174 и 193 МПа, а средние значения предела прочности при сжатии в перпендикулярном направлении приложения нагрузки составили 582 и 727 МПа соответственно. Прочность при сжатии увеличилась на 145 МПа за счет вводимых углеродных волокон в многослойный композит. Средние значения прочности при сжатии КМ в параллельном направлении приложения нагрузки составили 865 и 838 МПа соответственно, что указывает на изменение линейной упругости, которая приводит к хрупкому разрушению композита [16]. Следует отметить, что многослойный КМ с армирующим углеродным волокном обладает более высокими прочностными характеристиками по сравнению с аналогичными характеристиками многослойного КМ без армирующих углеродных волокон.

На рис. 5 представлена морфология разрушения КМ из металло-интерметаллидных ламинатов систем Ti–Al₃Ti и C–Ti–Al₃Ti после испытаний.

Рис. 5. Микроструктуры излома армированного волокном композиционного материала из вытянутых (а) и разрушенных (б) углеродных волокон и композиционного материала из металло-интерметаллидного ламината системы Ti–Al₃Ti (в) [16]

По морфологии излома КМ из металло-интерметаллидного ламината системы Ti–Al₃Ti видна направленность разрушения, которая формируется за счет плоскости скола и канавки в материале, что является типичным сколом (рис. 5, в). Причина появления разрушения связана с мартенситным превращением, вызванным ультразвуковой консолидацией. Излом слоев Ti и Al₃Ti для КМ из металло-интерметаллидного ламината системы C–Ti–Al₃Ti очень похож на излом КМ из аналогичного ламината системы Ti–Al₃Ti. На рис. 5, а показано явное вытягивание волокон в процессе растяжения. Поверхность вытянутого волокна очень шероховатая, что предполагает хорошее сцепление углеродного волокна с интерметаллидной матрицей на основе Al₃Ti. Однако торцевые поверхности большинства разрушенных углеродных волокон – гладкие и прямые, что можно считать хрупким изломом [16].

В работе [17] проведено исследование механизма межфазного взаимодействия между керамическим волокном Al₂O₃ и интерметаллидом Al₃Ti с целью улучшения механических характеристик КМ из металло-интерметаллидного ламината системы Ti–Al₃Ti, армированного керамическим волокном, с использованием метода спекания в вакууме горячим прессованием и изостатического прессования после горячего прессования.

Микроструктура КМ из металло-интерметаллидного ламината представлена несколькими фазами: Ti, Al₃Ti и Al₂O₃, а также остаточного Al в слое интерметаллида Al₃Ti (рис. 6). Волокна Al₂O₃ распределяются непосредственно в хрупких интерметаллидных слоях, чтобы улучшить механические свойства интерметаллида [17]. Остаточный Al обнаруживают в интерметаллидном слое Al₃Ti многослойного КМ с армированными волокнами Al₂O₃ до и после горячего изостатического прессования, а количество остаточного Al уменьшается с увеличением температуры и продолжительности взаимодействия. Кроме того, после горячего изостатического прессования волокно Al₂O₃ хорошо связано с интерметаллидом Al₃Ti.

Рис. 6. Микроструктура композиционного материала из металло-интерметаллидного ламината системы Ti–Al₃Ti, армированного волокнами Al₂O₃ [17]

По результатам исследований механических свойств КМ из металло-интерметаллидного ламината показано, что пределы прочности при растяжении и сжатии КМ с армированными волокнами Al₂O₃ увеличиваются в 1,5 раза по сравнению с аналогичными характеристиками для металло-интерметаллидного ламината системы Ti–Al₃Ti и в среднем составляют 454 и 328 МПа, 1422 и 1328 МПа соответственно [17].

В работе [18] исследован гибридный ламинат системы «титан–графит», полученный методом горячего прессования с использованием силанового связующего для улучшения характеристик склеивания с полиэфирэфиркетоном в процессе отверждения. В результате исследования получены оптимальные параметры процесса отвержения силанового связующего, а также значения механических свойств – пределов прочности при растяжении, изгибе и межслойном сдвиге, которые составили соответственно 837, 1071 и 75 МПа.

В работе [19] проведены исследования КМ из металло-интерметаллидных керамических ламинатов, армированных керамическими волокнами системы Ti–Al₃Ti–Al₂O₃, которые получены методом реактивного спекания фольги на воздухе. Изучен механизм вязкого разрушения КМ при испытаниях на изгиб. Предел прочности при изгибе двух разнородных образцов с содержанием алюминия 10 и 32 % (по массе) составил 21 и 23 МПа соответственно. В работе [19] объяснено также образование поверхности излома КМ при изгибе, которое оказывает влияние на границу раздела и объемную долю слоев.

Заключения

Представлены физико-механические свойства КМ, полученных с использованием различных матричных сплавов, в том числе армированных углеродными и керами-ческими волокнами.

По результатам анализа свойств новых КМ из металло-интерметаллидных многослойных ламинатов, армированных волокнами, установлено, что данные материалы обладают высоким уровнем механических характеристик и превосходят по показателям предела прочности неармированные КМ из металло-интерметаллидного ламината.

Показано, что применение метода ультразвуковой консолидации многослойного волокнистого КМ на основе металло-интерметаллидного ламината, армированного углеродными и керамическими волокнами, обеспечивает высокую адгезию волокон с интерметаллидным слоем, что подтверждается результатами анализа структуры данного материала методом электронной микроскопии.

Большой интерес для применения в авиационной отрасли в качестве конструкционного материала представляют КМ на основе алюминиевых сплавов, армированных углеродными волокнами. Установлено, что физико-механические свойства таких КМ сильно зависят от объемного содержания армирующих углеродных волокон.

Читайте также:

  
• Шарошка гост по металлу
  
• Аптечка металлическая ау 1
  
• Краска для металлических труб газоснабжения
  
• Шкаф для раздевалки металлический 4 х секционный
  
• Оружие с металлическими шариками