Эксплуатационные свойства и область применения композитов

Композиты с полимерной матрицей. К их достоинствам следует отнести высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость в химически агрессивных средах, а также достаточную простоту изготовления,— для их производства не требуется высоких температур и давлений. Однако им присущ ряд недостатков, опре­деляемых свойствами полимерной матрицы. Это, прежде всего, низкие значения прочности при сжатии и сдвиге (при их высоких удельных значениях), низкая теплостойкость, гигроскопичность и склонность к старению, т. е. к изменению физико-механических свойств под воздействием климатических факторов.

Стеклопластики нашли достаточно широкое применение из-за высокой прочности, в том числе при знакопеременных нагрузках, коррозионной стойкости. Они легко обрабатываются резанием. Их недостатком является снижение механических свойств в водной среде из-за ослабления связи «стекло — полимер». Стеклопластики были первыми конструкционными материалами, используемыми в силовых конструкциях. Из них изготовляют детали фюзеляжа и крыльев летательных аппаратов, баллоны высокого давления. В ка­честве армирующего компонента используют нити, жгуты, ткани. Слоистые композиты на основе тканей называются стеклотекстолитами. Матричным материалом могут быть как термореактивные, так и термопластичные полимеры.

Органопластики. В качестве армирующего компонента использу­ются синтетические волокна. Природа связующего и армирующего компонентов одинакова, что приводит к их химическому взаимо­действию. Компоненты имеют близкие значения коэффициентов линейного расширения. В связи с этим органопластики получают монолитную, беспористую структуру с сильной адгезионной связью связующего и арматуры. Монолитность структуры обеспечивает вы­сокое сопротивление ударным и циклическим нагрузкам, высокую вибростойкость. Органопластики — самые легкие композиционные материалы, их применение позволяет снизить вес конструкции (при одинаковых размерах) на 20÷50 % по сравнению с стеклопластика­ми или сплавами алюминия. Однако в силовых конструкциях они практически не используются из-за низких значений предела проч­ности при сжатии и модуля упругости. Предел прочности при сжа­тии у органопластиков (около 300 МПа) примерно в два раза ниже, чем у углепластиков, и в четыре раза ниже, чем у боропластиков. Органопластики применяют в качестве обшивочного материала, из них изготовляют также детали оболочковой формы из-за техноло­гичности при операциях намотки. Армирующие волокна непрерыв­ные — в виде нитей, жгутов, тканей.

Углепластики — наиболее перспективный вид композитов. Их отличают высокие характеристики удельной прочности и жестко­сти, термостойкость, коррозионная стойкость. Композиты на осно­ве эпоксидных связующих могут длительно работать при температу­ре до 200 °С, а на основе кремнийорганических смол до 300 °С. Благодаря высокой электропроводности углеродного волокна угле-пластики могут выполнять функции антистатика. Такое сочетание свойств определило их достаточно широкое применение — в авиа­ционной и космической технике, автомобилестроении, для изго­товления спортивного инвентаря. Форма армирующего компонен­та — нити, жгуты, ткани.

Боропластики обладают высокой прочностью при сжатии. Так, если пределы прочности при растяжении угле- и боропластиков близки, то предел прочности при сжатии боропластика практически в два раза выше — 1020÷1160 МПа и 520÷530 МПа, для боро- и углепластика соответственно. Поэтому их целесообразно применять в силовых конструкциях, воспринимающих напряжения сжатия. Не­достаток боропластиков — технологический, у них низкая обраба­тываемость резанием.

Композиты с углеродной матрицей. В качестве армирующего ком­понента таких композитов используется углеродное волокно. Ос­новное назначение таких композитов — тепловая защита. Они со­храняют высокие механические свойства при очень высоких температурах. При нагреве до 2000 °С наблюдается даже некоторое повышение пределов прочности при растяжении и сжатии. По прочности «углерод — углеродный» композит в 5—10 раз превосхо­дит специальные графиты. Высокие теплозащитные свойства ком­позита определяются также тем, что при нагреве происходит сниже­ние теплопроводности и рост теплоемкости графита. «Углерод — углеродные» композиты нашли применение для изготовления дис­ков авиационных тормозов.

Композиты с металлической матрицей сочетают в себе достоинст­ва и металлов, и композитов. Они обладают высокими значениями модуля упругости, предела прочности, ударной вязкости. Эти мате­риалы сохраняют свои свойства при температурах значительно бо­лее высоких, чем композиты с полимерной матрицей. Важным яв­ляется то, что прочная металлическая матрица обеспечивает высокие механические свойства в направлении, перпендикулярном оси волокон. Это определило конструкцию композитов с металли­ческой матрицей как одноосную, т. е. более технологичную. Особо следует отметить, что только такие композиты возможно упрочнить путем термической обработки или наклепа. Повышение механиче­ских характеристик достигается при этом за счет упрочнения мате­риала матрицы.

Наиболее распространены композиты с матрицей из алюминия или сплавов на его основе вследствие их высокой технологичности при производстве композитов. В качестве армирующего компонен­та используют борные и углеродные волокна, стальную проволоку.

Предел прочности бороалюминия (композит марки ВКА-1) вдоль направления волокна при комнатной температуре в два раза выше, чем у конструкционных алюминиевых сплавов (1000÷1200 МПа). При повышенных температурах его преимущество становится еще заметнее (при 500 °С предел прочности композита составляет 500 МПа). Прочность в поперечном направлении этого композита достаточно низкая, около 60 МПа, так как материал матрицы — не­упрочняемый сплав. При изготовлении матрицы из сплава Д16 и упрочнении композита путем термической обработки (закалка + старение) его прочность в поперечном направлении возрастает до 200 МПа.

Композиты с углеродным волокном (КАУ) получают методом пропитки, т. е. заливкой волокнистого каркаса. Материал матрицы в этом случае — литейный сплав алюминия. При армировании си­лумина АЛ-2 углеродными волокнами достигается прочность до 1000 МПа и теплостойкость до 500 °С.

Использование для армирования стальной проволоки (композит КАС-1) позволяет повысить предел прочности до 1300÷1450 МПа. В качестве матричного материала для композита КАС-1 используют упрочняемые сплавы алюминия, поэтому предел прочности в попе­речном направлении достаточно высок — после термической обра­ботки его значения приближаются к 300 МПа (материал матрицы сплав САП-1, т. е. в этом случае имеем комбинированное упрочне­ние — дисперсно-упрочненный волокнистый композит).

Основное применение композитов с матрицей на основе алю­миниевых сплавов — авиационная промышленность. Их использу­ют вместо алюминиевых сплавов для повышения механических свойств, наиболее важно — увеличение модуля упругости. Так, за­мена сплава Д16 на композит ВКА-1 позволила повысить жесткость лонжерона крыла примерно в 1,5 раза.

Композиты с магниевой матрицей обладают более высокой удельной прочностью, чем композиты на основе алюминия из-за малой плотности магния (плотности магния и алюминия составля­ют соответственно 1,74 и 2,7 г/см³). Предел прочности боромагния при комнатной температуре приближается к 1000 МПа, а при тем­пературе 400 °С его значение составляют около 500 МПа. Однако производство композитов с магниевой матрицей связано со значи­тельными технологическими трудностями из-за низкой пластично­сти и свариваемости магниевых сплавов, а также присутствия на поверхности рыхлой оксидной пленки магния.

Композиты с титановой матрицей армируют волокнами бора, борсика, карбида кремния, бериллия, молибдена. Основное досто­инство этих композитов — высокая теплостойкость. Высокие зна­чения прочности сохраняются до 650÷700 °С. В продольном направ­лении предел прочности композитов составляет 1100÷1300 МПа (в зависимости от вида волокон и их свойств), а в поперечном дости­гает 650 МПа из-за высокой прочности матрицы. При получении композитов на основе титана возникают значительные технологи­ческие трудности, связанные с необходимостью нагрева до высоких температур. При этом титан становится химически активным и взаимодействует с волокнистым наполнителем, что приводит к образованию хрупких фаз по границам раздела. Это требует контроля технологии изготовления с учетом протекающих реакций и степени их развития. Наибольшая совместимость достигается в системах Тi—SiC.