Матрица должна обладать следующими свойствами

- высокой вязкостью разрушения, приводящей к торможению распространения трещины в материале при разрушении или образовании трещины в волокне.

-  способностью пластически обтекать волокно и связываться с ним.

- высокой прочностью.

- коррозионной стойкостью.

- жаростойкостью.

- высоким сопротивлением ползучести.

- способностью свариваться и соединяться пайкой, а в некоторых случаях позволять применять к композиционному материалу обработку давлением.

Три класса конструкционных промышленных металлов:

1) - низкотемпературные сплавы - алюминиевые, магниевые, медные.

2) - сплавы для работы при средних (промежуточных) температурах — титановые.

3) - высокотемпературные сплавы - жаропрочные сплавы на никелевой или ниобиевой основах.

Таблица 1.   Прочность, удельная прочность и удельная жесткость

легких материалов (наиболее прочные сплавы)

 

Материал	Прочность, МПа	Прочность (уд), км	Е(уд), км
МА 10 (магний)	430	24	2300
В96 (алюминий) ВТ15 (титан) Бериллий	700 1500 680	21 22 37	2400 2600 16100

 

Таблица 2. Жаростойкость чистых металлов

Металл	Жаростойкость	Определяющий фактор
Mg	Очень плохая	Рыхлые оксиды
Nb, Та, Мо, W, Ti, Zr	Плохая	Плотные оксиды с плохими защитными свойствами
Сu, Fe, Ni, Со	У довлетворительная	Плотные оксиды с большой дефектностью
Al, Zn, Sn, Pb, Cr, Mn, Be	Хорошая	Плотные оксиды с хорошими защитными свойствами
Ag, Au, Pt	Отличная	Малое  химическое сродство к кислороду

 

Таблица 3. Жаропрочность сплавов на основе алюминия, магния, титана

 

Марка сплава,	Содержания легирующих элементов, %	Температура, °С		Прочность, МПа
		рекомендуемая (применения)	испытания
	Сплавы на основе алюминия
Д20	6,3Cu; 0,6Mn; 0,15Ti	250 - 300	300	80
АК4-1	2,3Cu; l,6Mg; l,lFe;	250-300	300	45
	l,lNi; до 0,lTi
САП-1	6-9 А120з	300-500	500	45
АМ5	4,9Cu; 0,8Mn; 0,25Ti	250 - 300	300	65
	Сплавы на основе магния
МА12	2,5- 3,5Nd; 0,5Zr	150 - 200	200	~ 100
МЛ11	2,5-4 P3M; 0,7Zr; 0,5Zn	200 - 250	250	50
МЛ19	1,6 - 2,3Nd; 0,6Zn; 0,7Zr; 1,7Y	250 - 300	300	50
	Сплавы на основе титана
ВТЗ-1	6А1; 2,5Мо; 0,5Fe; 0,25Si	350-400	400	800
ВТ6	6,25А1; 4V	400 - 450	-	-
ВТ8	6,5А1; 3,3Mo; 0,3Si	450 - 500	500	500
ВТ9	6,5А1; 3,3Mo; 0,25Si; l,6Zr	500 - 550	550	400
ВТ18	7,5А1; llZr; 0,7Мо;	550- 600	600	200
	INb; 0,3Si

 

АЛЮМИНИЙ

Алюминий входит в группу легких материалов (Mg, Al, Ti, Be) широко используются в авиации, ракетной и космической технике, а также в автомобилестроении, судостроении, строительстве и других отраслях промышленности.

Преимущества Al

- низкая  плотность

- высокая  теплопроводность (используют для различных теплообменников, в промышленных и бытовых холодильниках).

- высокая электрическая проводимость (способствует его широкому применению для конденсаторов, проводов, кабелей, шин и т.п.)

- высокая пластичность

- высокая коррозионная стойкость

- хорошие технологические свойства (обрабатываются давлением, сваркой, резанием).

- широко распространенный, доступный и дешевый металл

Недостатки Al

- невысокие прочность и жесткость ( Этот материал предназначен главным образом для изготовления мало- и средненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность).

- невысокие Траб

АРМИРОВАНИЕ Al

С какой целью армируют Al?

ВИДЫ НАПОЛНИТЕЛЕЙ:

В, С, Сталь

 

Удовлетворяет ли Al требованиям, предъявляемым к матрице?

При создании МКМ применяют:

- деформируемые сплавы

- литейные сплавы

- алюминиевый порошок

 

1) деформируемые сплавы (ТФТ) – б = 6 – 20 % (в виде порошков и фольги)

Невысокие мех. свойства отрицательно влияют на свойства МКМ в направлениях отличных от направления укладки волокон.

 

а) дюралюмины (сплавы системы Al – Cu – Mg) (заруб. марки 1100, 5052, и рос. марки Д16, Д18)

б) высокопрочные (сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu) (применяют для высоконагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях напряжения сжатия (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов) (заруб. марки 2024, 6061, 7075, и рос. марки В95, В96)

2) литейные сплавы (ЖФТ) – б = 2 – 10 % высокая жидкотекучесть, низкая усадка, низкая склонность к образованию горячих трещин, высокие мех. свойства. (Лучшими литейными свойствами обладают сплавы А1 - Si (силумины), это сплавы АЛ2-АЛ12).

СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ КМ НА ОСНОВЕ Al

КМ	б, ГПа	Е, ГПа	плотность, кг/м3
Al - B	1,2	240	2650
Al - C	0,9 – 1,1	270	2300
Al - Cталь	1,6	350	4800

Т_раб =до 500 С

Но!!!

б = 0,6 – 0,8 %!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

МАГНИЙ

Магний является одним из самых легких металлов.

Преимущества

- низкая плотность.

- высокие удельные показатели прочности и жесткости.

- способность воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки.

Недостатки

- низкая тепло и электропроводность (теплопроводность магния в 1,5, а электрическая проводимость — в 2 раза ниже, чем у алюминия).

- низкие показатели прочности и модуля упругости (Е магния примерно в 1,5 раза меньше, чем у алюминия. Однако магний и алюминий близки по удельной жесткости).

- невысокая пластичность.

-низкая коррозионная стойкость (но при надлежащей защите изделия могут надежно эксплуатироваться во всех климатических условиях и неагрессивных по отношению к Mg средам)

- при нагреве магний активно окисляется и при температуре выше 623 °С на воздухе самовоспламеняется. (Это затрудняет плавку и разливку магния и его сплавов).

АРМИРОВАНИЕ Mg

С какой целью армируют Mg?

Особенности Mg как матричного материала:

По уд. прочности и жесткости (например, Mg – B) превосходит многие КМ на основе металлов, которые работают при Т до 500 С.

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

2) Mg в качестве матрицы имеет большое преимущество перед другими металлами: стабильность по отношению к основным классам армирующих волокон (почти не реагирует с большинством из них) (Поэтому при изготовлении Mg – В используется ЖФТ (Борное волокно является самым реакционноспособным упрочнителем)).

Виды наполнителей:

В, С, W, Сталь

При создании МКМ применяют:

- деформируемые сплавы Mg – Al; Mg – Zn (марки МА)

- литейные сплавы Mg – Al – Zn (марки МЛ)

 

ТИТАН

Относится к группе материалов с высокой уд. прочностью

Преимущества

- высокая прочность

- высокая удельная прочность

-высокая пластичность (хорошее сочетание прочности и пластичности)

- высокая коррозионная стойкость в большом количестве агрессивных сред (в тех средах, которые не растворяют защитную окисную пленку) (один из самых коррозионно-стойких материалов), уступает только Au и Pt. Благодаря образованию пассивной защитной оксидной пленки.

- низкий КЛТР (преимущество перед другими матрицами)

- высокие технологические свойства ( хорошо обрабатывается давлением, сваркой, но плохо обрабатывается резанием)

- высокая хладостойкость.

Недостатки

- низкая жесткость (приблизительно в 2 раза меньше, чем у Ni, Fe). Это ограничивает применение Ti для изготовления жестких конструкций).

- водородное охрупчивание.

Водородная хрупкость

Источником наводороживания являются в основном пары воды из окружающей среды. В результате реакции

Ti + 2Н₂0 -» ТiO₂ + 4Н⁺+ 4е^-

образуется оксид титана и твердый раствор водорода в Ti. П оложительно заряженные ионы водорода размещаются в межузельных порах и дефектах кристаллического строения титана, где они образуют молекулы. Это создает большие внутренние давления в Ti, особенно при охлаждении, что вызывает водородную хрупкость.

 

- высокая химическая активность расплавленного титана требует применения при плавке вакуума или атмосферы инертных газов

- имеет высокую способность к газопоглощению (эта способность увеличивается с увеличением Т).

Небольшие количества О_2, СО_2, N увеличивают показатели прочности, жесткости, но снижают пластичность, кор. стойкость, технологичность.

- невысокая жаростойкость

- низкие антифрикционные свойства

- дорогостоящий материал.

АРМИРОВАНИЕ Ti

армирование с целью повысить прочность эффекта не дает (высокая реакционная способность)

С какой целью армируют Ti?

ВИДЫ НАПОЛНИТЕЛЕЙ:

В, SiC и Al₂O_3, Be, Mo, W