Матричные материалы.

Матрица в армированных композициях придает изделию форму и делает материал монолитным. Объединяя в единое целое многочисленные волокна, матрица должна позволять композиции воспринимать различного рода внешние нагрузки: растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и др. В то же время она должна принимать участие в создании несущей способности композиции, обеспечивать передачу усилий на волокна. Матрице отводится и роль защитного покрытия, предохраняющего волокна от механических повреждений и окисления. Кроме того, матрица должна обеспечивать прочность и жесткость системы при действии растягивающей или сжимающей нагрузки в направлении, перпендикулярном к армирующим элементам.

В зависимости от используемого матричного материала различают КМ на металлической основе (МКМ) и неметаллической основе: керамической или углеродной основе (ККМ) и полимерной основе (ПКМ).

В качестве матричных материалов при изготовлении металлических композиционных материалов (МКМ) используют промышленные металлы и сплавы, которые уже применяются в различных областях техники, а также новые сплавы, разработанные специально для армирования их тем или иным видом волокон: легкие металлы и сплавы (алюминий, магний и их сплавы); титан и сплавы на его основе; медь и ее сплавы; жаростойкие и жаропрочные сплавы на основе железа, никеля и кобальта; тугоплавкие металлы и сплавы.

Все металлические матрицы по технологическому признаку можно разделить на три больших класса: деформируемые, литейные и порошковые.

К деформируемым алюминиевым сплавам относят не упрочняемые термической обработкой сплавы марок АМц, АМг, АМгЗ и др., основными легирующими элементами которых являются магний и марганец. Эти сплавы обладают хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью и свариваемостью, но сравнительно небольшой прочностью. Большую группу деформируемых алюминиевых сплавов составляют упрочняемые термической обработкой дуралюмины (Д1, Д16, Д18 и др.) и сплавы АВ, АК, В95. После термической обработки (закалки и искусственного старения) эти сплавы имеют повышенную механическую прочность.

Из литейных алюминиевых сплавов наиболее распространены силумины, которые обладают хорошими литейными свойствами; в качестве основного легирующего элемента содержат 4…13 % кремния. Однако они малопластичные, имеют низкую ударную вязкость и коррозионную стойкость. Теплостойкость силуминов также невелика. Так, для сплава АЛ5 при 300 °С сточасовая длительная прочность составляет 30 МПа.

Весьма перспективны для жаропрочных МКМ на алюминиевой основе матричные материалы типа САП (спеченный алюминиевый порошок), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия А1₂O₃.

Магний и его сплавы выгодно отличаются от других конструкционных материалов низкой плотностью, относительно высокими механическими свойствами, хорошей способностью сопротивляться ударным нагрузкам и вибрациям. Такие деформируемые магниевые сплавы, как МА3, МА8, МА2-1 пластичны и хорошо обрабатываются давлением.

Из листовых МКМ наиболее распространены тонкие листы или фольга, получаемые прокаткой.

Титан и его сплавы обладают ценными физико-механическими свойствами: при малой плотности (4500 кг/м³) титановые сплавы могут иметь предел прочности от 500 МПа для нелегированного титана до 1500 МПа для сплавов. Поэтому по абсолютной и тем более по удельной прочности он превосходит сплавы алюминия и магния и многие легированные стали в широком диапазоне температур 20…500 °С. Технический титан ВТ1, ВТ3, ВТ5 имеет хорошие литейные свойства. Из сплавов титана получают полосы толщиной 5…7 мм, листы толщиной 1,5…2 мм прокаткой при температуре 550…700 °С. Более тонкие листы (1,0…0,5 мм)получают холодной прокаткой.

Медь, имеющая высокую электро- и теплопроводность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, широко применяется в электротехническом аппаратостроении. В технологическом отношении медь очень удобный материал, так как он хорошо куется, прокатывается в пруток, ленту, фольгу, протягивается в проволоку. Многие медные сплавы обладают хорошими литейными свойствами и их часто используют для получения фасонных отливок методом точного литья.

Из металлических матриц на основе железа, никеля и кобальта при создании МКМ чаще всего используют жаропрочные стали и сплавы, обладающие стойкостью против разрушения в газовых средах при нагревании выше 500 °С. МКМ из литейных жаропрочных сплавов изготовляют преимущественно жидкофазными методами (литьем, пропиткой).

Методами порошковой металлургии стало возможно получение МКМ с матрицей из особо тугоплавких металлов - ниобия, вольфрама, молибдена и сплавов на их основе. Волокнистыми наполнителями ("усами",- волокнами тугоплавких соединений) эти матрицы армируют для того, чтобы придать им особые эксплуатационные характеристики: ударопрочность, термостойкость, специальные физические свойства. Создавая такие МКМ используют матричный материал в виде тонких порошков с размерами 0,1…5 мкм, тонкой металлической фольги толщиной 10…100 мкм, а также применяют различные методы осаждения матрицы на волокна с последующим уплотнением покрытых волокон горячим прессованием, прокаткой и т.п.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные (ПКМ), углеродные и керамические материалы (ККМ). Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу.