Наполнителями

В композиционных материалах этого типа наибольшее распространение получила матрица из металла или сплава, которая упрочняются равномерно распределенными дисперсными частицами различной зернистости: микроскопические с диаметром частицы d= 0,01 – 0,1 мкм; мелкие с диаметром частицы d= 1 – 50 мкм.

Композиционные материалы с равномерным распределением частиц упрочнителя отличаются изотропностью свойств.

Получают композиции, армированные дисперсными частицами, чаще методами порошковой металлургии, включающей следующие этапы:

– получение порошковой смеси матричного металла и упрочнителя (рассев порошков на фракции, смешивание порошков в смесителях различных систем);

– прессование порошка в компактную заготовку в стальных матрицах (изостатическое прессование) с последующим спеканием.

На стадиях прессования и последующей термиче­ской обработки в полуфабрикате формируется оптимальная, устойчивая дислокационная структура. Дисперсные частицы наполнителя способствуют образованию зерен с большой степенью неравноосности (волокнистой структуры) и задерживают протекание рекристаллизационных процессов.

В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы армирующего наполнителя препятствуют развитию пластической деформации, оказывая сопротивление движению как единичных дислокаций, так и дислокационных образований (субграниц, границ зерен). Эффективное упрочнение достигается при содержании 5-10 % (об.) частиц упрочняющего вещества.

На уровень прочности композиций оказывают влияние объемное содержание частиц упрочнителя, степень дисперсности и расстояние между час­тицами. Сопротивление увеличивается с уменьшением расстояния между частицами согласно формуле Орована:

(1)

где G – модуль сдвига материала матрицы; b – межатомное расстояние; l – расстояние между частицами упрочнителя. Для повышения прочности при постоянном объемном содержании наполнителя надо увеличивать дисперсность его частиц.

Армирующими наполнителями чаще служат дисперсные частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов (А1₂O₃, ТhO₂, НfО₂, BN, SiC, Ве₂С и др.). Эти тугоплавкие соединения имеют высокие значения модуля упругости, низкую плотность, значительную инертность в отношении материала матриц. Так, например, модуль упругости оксидов ThO₂ и Аl₂O₃ равен 380,5∙10³ и 146,12∙10³ МПа, а плотность – 1,0 и 3,97 г/см³ соответственно.

Кроме метода порошковой металлургии существуют и другие технологии получения дисперсионно-упрочненных композиционных материалов. Например, вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава. Улучшения смачивания частиц жидким металлом и равномерного распределения их в матрице достигают в этом случае ультразвуковой обработкой расплава или другими способами. Равномерное распределение упрочняющей фазы по объему композиции чаще все же достигается применением твердофазных методов.