Композиционные конструкционные материалы

Композиционные материалы представляют собой объемное сочетание двух или нескольких химически разнородных материалов с четкой границей раздела между этими компонентами (фазами) и характеризуются свойствами, которых не имеют составляющие его компоненты в отдельности. Композицию получают путем введения в основной материал (матрицу) определенного количества другого материала (наполнителя), который добавляется с целью получения специальных свойств (Рисунок 3.6). Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Размеры частиц, входящих компонентов могут колебаться от сотых долей микрометра до нескольких миллиметров.

Рисунок 6.4 – Схема структуры (а) и схемы армирования композиционных материалов непрерывными волокнами

Физико-механические свойства композиционных материалов в зависимости от концентрации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии изготовления могут изменяться в широких пределах. В результате этого открывается возможность конструирования материалов с заданными свойствами.

В зависимости от материала матрицы композиционные материалы можно разделить на следующие основные группы: композиции с металлической матрицей – металлические композиционные материалы; с полимерной – полимерные композиционные материалы; с резиновой – резиновые композиционные материалы и с керамической – керамические композиционные материалы.

По типу арматуры и ее ориентации композиционные материалы подразделяют на две основные группы: изотропные и анизотропные.

Изотропные композиционные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях. К этой группе относят композиционные материалы с порошкообразными наполнителями.

У анизотропных материалов свойства зависят от направления армирующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слоистые и трехмернонаправленные. В последнее время находят широкое применение так называемые гибридные композиционные материалы, содержащие в своем составе три и более компонентов.

В качестве материалов матриц для изготовления металлических конструкционных материалов применяют:

• легкие металлы и сплавы на основе алюминия и магния;
• сплавы на основе титана, меди;
• жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля и кобальта;
• тугоплавкие сплавы на основе вольфрама, молибдена и ниобия.

Для армирования композиционных материалов с металлической матрицей используют высокопрочные волокна углерода, бора, карбида кремния и вольфрама, оксидов алюминия и циркония, проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов, а также нитевидные кристаллы.

Волокна углерода и бора используют обычно для армирования легких сплавов на основе алюминия и магния. Изделия из таких композиционных материалов характеризуются высокой прочностью и жесткостью и могут длительно эксплуатироваться при температурах до 300…450°С.

Волокна карбида кремния и вольфрама предназначены для армирования жаропрочных композиционных материалов на основе никеля и хрома с рабочими температурами до 1100…1300°С.

Термостойкие и жаропрочные волокна из оксидов алюминия и циркония эффективны для армирования композиционных материалов, работающих при температурах 1400…1600°С.

Проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов используют для армирования высокопрочных композиционных материалов.

Нитевидные кристаллы таких тугоплавких соединений как карбиды кремния, бора, оксида алюминия и др. используют в качестве армирующего материала для получения жаропрочных и высокопрочных композиционных материалов