Композиционные материалы

К группе дисперсно-упрочненных  композиций относятся главным образом  материалы на основе металлических  матриц, где в качестве дисперсных частиц выступают окислы (например, SiO2 , Al2O3 в медной матрице), а также  на основе некоторых силикатных матриц. Из-за близости формы дисперсных частиц к сферической анизотропии свойств в материалах практически не возникает. Основной механизм упрочняющего действия в таких композиционных материалах связан с повышением сопротивляемости матрицы деформациям под действием нагрузок. Величина возрастания прочностных характеристик относительно невелика. Однако большую ценность этим материалам придает их способность работать при повышенных (по сравнению с металлами) рабочих температурах, превышающих половину абсолютной температуры плавления или фазового превращения. Для композиционных материалов на основе металлических матриц наибольшее распространение получили методы порошковой металлургии, электрохимические, окислением или восстановлением, кристаллизацией из расплава (Мо-TiC). Некоторые из таких композиционных материалов обладают интересными свойствами. Так, композиционный материал на основе меди и окиси бериллия сохраняет более 80% электрической проводимости при комнатной температуре даже после 2000 ч выдержки при 850?С, будучи при этом более прочным, чем медь и ряд ее сплавов. При восстановлении окиси никеля, содержащего дисперсную двуокись тория (3%), получается материал, известный под названием TD-никель, который обладает значительно более высокой длительной прочностью при температуре 1090?С по сравнению со сверхпрочными сплавами никеля (инконель и хастеллой).

Наиболее многочисленными  по количеству и разнообразию свойств  являются композиционные материалы, упрочнение которых достигается благодаря  использованию частиц или волокон [2, 3]. К первым относятся неорганические порошковые композиции, многочисленные и разнообразные керамические материалы, а также полимерные материалы (термопласты и реактопласты), наполненные разнообразными дисперсными наполнителями (слюдой, тальком, мелом и т.п.). При достаточно высоком содержании дисперсной фазы, достигающем 30-40 об.%, в формировании свойств таких композитов решающее значение приобретают как особенности деформационного поведения каждого из компонентов, так и характер взаимодействия на поверхности раздела фаз. Для изготовления материалов на основе металлических матриц наиболее широкое распространение получили процессы пропитки (Cu-W, Mo-Cu, Ni-Ag), предварительного компактирования смесей порошков с последующим твердофазным (Ag-графит, Cu-Fe) или жидкофазным (W-Ni-Cu, W-Ni-Fe, Ti-SiC-Ni) спеканием.

В основе получения  таких материалов на базе керамических матриц лежит процесс изменения  фазового состояния многочисленных систем в результате образования  центров кристаллизации и роста  кристаллов, роста зерен, твердо- и жидкофазного спекания. Подбором соответствующих условий нагрева, термообработки, отжига можно регулировать изменения структуры и свойств керамических композиционных материалов в широких пределах. Основные преимущества их связаны с высокими температурами эксплуатации (что характерно для керамики) при одновременном значительном повышении прочностных свойств. Материалы на керамических матрицах готовятся путем смешения компонентов в различных установках с последующим формованием заготовок путем уплотнения, литья и др. Однако важнейшим этапом формирования структуры таких материалов является термическая обработка, часто весьма продолжительная. При использовании полимерных матриц основной путь - это интенсивное смешение в расплаве с последующей грануляцией.

В упрочненных  частицами КМ коэффициент возрастания  прочности достаточно велик (от 2 до 25), а высокотемпературная стабильность зависит от характера изменения  свойств дисперсной фазы при высоких  температурах. Как и в случае дисперсно-упрочненных материалов, их свойства, как правило, изотропны; появление анизотропии может быть связано с вытянутой формой частиц некоторых дисперсных материалов. В связи с ростом поверхности раздела в формировании прочностных свойств существенно возрастает роль межфазного взаимодействия. Основной эффект повышения прочности в этих КМ достигается в результате уменьшения способности к пластической деформации относительно более подвижной матрицы, при этом прочность возрастает с уменьшением доли матрицы.

Наиболее обширную и разнообразную по своему составу группу составляют КМ, армированные волокнами. Это объясняется тем, что в композитах этого типа удается реализовать наиболее высокие прочностные и термические характеристики, так как именно использование волокон дает наибольший упрочняющий эффект. Для этой группы КМ и теоретические представления разработаны наиболее полно, и практическая реализация, несмотря на очень значительные технологические трудности, продвинута наиболее существенно.

Не касаясь  материалов на основе углеродных матриц, где работы еще только начинают разворачиваться, и полимерных композитов, свойства которых подробно описаны в одной из статей, уже опубликованной в "Соросовском Образовательном Журнале" [4], ограничимся тремя важнейшими видами таких КМ.

К числу наиболее универсальных видов КМ следует отнести армированные волокнами металлы - они позволяют существенно повысить и прочность, и жаростойкость. Для эффективного упрочнения волокно должно быть прочнее и жестче матрицы, которая в этом случае передает нагрузку на более прочное волокно. Используемые для этих целей волокна в значительной степени предопределяют возможные методы получения КМ и изделий из них: керамические волокна и волокна из окислов (усы окислов, боридов, карбидов, нитридов) из-за высокой хрупкости не допускают пластического деформирования матрицы, тогда как более пластичные волокна и усы из металлов допускают возможность переформирования заготовок. Из-за плохого смачивания металлами и с целью уменьшения опасности преждевременного разрушения керамические волокна и усы иногда покрывают пленкой из металла (через расплав или из газовой фазы). Как уже отмечалось, использование очень тонких волокон и усов позволяет достигать наиболее высоких показателей прочности КМ, однако необходимость предотвращения из разрушения на всех промежуточных стадиях и придания им ориентации создает очень большие трудности в технологическом плане.

Как правило, все  процессы включают предварительное  получение заготовок, которые потом  превращаются в изделия или полуфабрикаты путем их опрессовки, прокатки, протяжки через фильеру, диффузионной сварки и др. К числу наиболее освоенных методов их получения относятся пропитка пучков волокон расплавами металлов, электроосаждение (или осаждение из паров), смешение с порошком металла (с последующим прессованием или спеканием) (рис. 3).

Для получения  слоистых заготовок иногда волокна (особенно непрерывные) наматывают на оправку, укладывают в специальные  канавки в фольге, скрепляют летучим  клеем - с последующей горячей  прокаткой или прессованием. При этом удается достигнуть высоких значений прочности и работоспособности при повышенных температурах. Так, в композите из серебра с 24% усов Al2O3 предел текучести (162 кг/мм2) в 30 раз превышает предел текучести серебра и в два раза выше этого показателя у других упрочненных материалов на основе серебра. Этот же материал при температуре на 20?С ниже температуры плавления серебра сохраняет прочность 58 кгс/мм2, что соответствует нагрузке на усы в пределах 40-60% их прочности.

В настоящее  время описан достаточно широкий круг таких материалов на алюминиевых, титановых, железных, нихромовых и других матрицах с использованием как металлических, так и оксидных армирующих волокон (табл. 3, 4). Для оценки ожидаемой прочности таких КМ широко используется уравнение смесей (sКМ , sВОЛ , sМ - прочности соответственно композиционного материала, волокон, матрицы; VВОЛ , VМ - объемные доли волокон и матрицы)

sКМ = sВОЛVВОЛ  + sМVМ .

Однако это  правомерно для случая непрерывных  волокон. В случае коротких волокон имеют место отклонения, даже если средняя длина волокон выше критической (обычно l / d $ 20). Это связано с недостаточным сцеплением с матрицей, разбросом в длинах волокон, неоднородностью в ориентации волокон. Поэтому даже при l / d = 400 не удается достигнуть прочностных показателей КМ с непрерывными волокнами.

Вторым видом  волокноупрочненных КМ с металлической  матрицей являются направленно закристаллизованные  эвтектические сплавы. При охлаждении жидкостей определенного состава  может идти кристаллизация с образованием двух фаз. Если при этом удается создать плоский фронт кристаллизации, то возникает упорядоченная ориентированная микроструктура. Практически это один из путей формирования нитевидных кристаллов (типа усов) непосредственно в матрице. Такие композиты получены, в частности, из меди и хрома, алюминия и никеля, меди и вольфрама. В последнем случае была достигнута прочность 175 кг/мм2. Металлографические исследования показали, что процесс разрушения в таких композитах начинается с разрушения усов - это свидетельствует о высокой прочности связи на поверхности раздела.

Для эвтектического сплава Ni-NbC (11 об.%) средняя прочность  волокон 586 кгс/мм2, эти же волокна, выделенные путем растворения матрицы, обладали прочностью 1030 кгс/мм2, что свидетельствует о высоком совершенстве нитевидных кристаллов, формирующихся в процессе направленной кристаллизации эвтектики (рис. 4). К преимуществам таких КМ следует отнести простоту их изготовления - нет необходимости отдельного изготовления усов, исчезают трудности, связанные с их использованием. Высокие значения прочности связи на поверхности раздела, отсутствие окисных слоев обеспечивают высокую термическую устойчивость - возможность длительной работы при повышенных температурах. Однако для таких КМ характерно постоянство объемной доли эвтектической фазы, что делает невозможным воздействие на свойства путем изменения состава. Кроме того, для реализации плоского фронта кристаллизации необходимо использовать высокочистые вещества, так как примеси этому препятствуют.

Наконец, несколько  слов следует сказать о КМ на основе керамики, армированной волокнами. Керамика характеризуется низкой прочностью при растяжении в сочетании с  высоким модулем Юнга, низкой ударной  вязкостью. При высоких температурах одной из причин выхода из строя изделий из керамики является растрескивание. Это создает большие трудности при армировании ее волокнами, поскольку недостаточное удлинение матрицы препятствует передаче нагрузки на волокно. Поэтому волокна должны иметь еще более высокий модуль, чем матрица. Ассортимент таких волокон ограничен, поэтому в этих целях часто используют металлические волокна. Как и предполагалось, сопротивление растяжению растет при этом незначительно, но существенно повышается сопротивление тепловым ударам. При этом в зависимости от соотношения коэффициента термического расширения матрицы и волокна возможны случаи, когда прочность падает [5].

Материалы такого рода готовятся методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием  под давлением) или методом шликерного литья, когда волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные примеры  композиционных материалов на различных  матрицах свидетельствуют о возможности  реализации в них чрезвычайно интересных сочетаний важнейших эксплуатационных характеристик - высокой прочности, включая диапазон высоких температур, жаростойкости, усталостной прочности и др. Уже сейчас на керамических матрицах рабочие температуры могут достигать 1600?С, на металлических - до 1370?С. Увеличение рабочих температур в двигателях приводит к уменьшению их размеров, росту мощности и снижению стоимости эксплуатации. Вместе с тем, как это видно из данных табл. 3, применение для армирования таких волокнистых материалов, как углеродное волокно, окисные волокна и усы, карбиды и другие материалы с низкой плотностью, позволяет реализовать в композитах значительное снижение массы деталей при сохранении ими неизменной прочности. Это предопределило тот факт, что наибольшие успехи в практическом использовании КМ достигнуты в аэрокосмической технике (сопловые блоки ракет, носовые конуса), производстве газотурбинных двигателей (лопатки турбин), вертолетостроении. Уже сейчас КМ широко применяются в строительстве скоростных автомобилей, корпусов экстремальных яхт и гоночных судов, спортивного инвентаря и т.п. В настоящее время важнейшими факторами, сдерживающими применение большинства КМ, являются высокая стоимость армирующих волокон, в первую очередь нитевидных монокристаллов, а также серьезные проблемы технологического характера, затрудняющие высокую степень реализации прочности армирующих волокон в деталях из композиционных материалов.

Поэтому основные усилия исследователей и производственников направлены на разработку эффективных, технологичных и экономичных методов получения армирующих волокон, а также на совершенствование технологических процессов изготовления материалов и изделий. Успешное решение этих проблем позволит надеяться, что преимущества, связанные с использованием КМ, будут успешно реализованы в самом широком ассортименте изделий, с которыми нам приходится иметь дело постоянно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волоконные  композиционные материалы: Пер.  с англ. / Под ред. Дж. Уиктна, Э.Скала.  М.: Металлургия, 1978. 240 с.

2. Современные  композиционные материалы: Пер. с англ. / Под ред. Л. Браутмана, Р. Крока. М.: Мир, 1970. 672 с.