Композиционные материалы с углеродными волокнами

Взаимодействие углерода с оксидами, карбидами и силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами, поэтому перспективно в качестве матриц высокотемпературных КМ с углеродными волокнами использовать керамику. В тех случаи, когда предполагаемая температура эксплуатации деталей из ККМ превышает 2273 К целесообразно применять керамическую матрицу на основе карбидов, выше 1273 К - на основе боридов и нитридов, при более низких температурах — оксидную матрицу.

Важным условием для обеспечения прочности углеродистых волокон в ККМ является оптимальное соотношение модулей упругости волокон и матриц. При объемной доле углеродных волокон 50...60 % их прочность максимально используется при отношении модулей упругости материала и волокна, приближающемся к 0,1. поэтому для армирования керамики следует применять высокомодульные волокна.

Из углекерамических КМ наиболее широко исследованы композиты со стеклянной матрицей (боросиликатные, алюмосиликатные, литиевосиликатные и др). Для указанных материалов характерна стабильность исходных физико-механических параметров вплоть до высоких температур. Например, для ККМ боросиликатное стеклоуглеволокно (60 % об.) при температуре 293 К предел прочности при изгибе составляет 1025 МПа и не изменяется до температуры 870 К.

Следует отметить. что большое влияние на физико-механические свойства ККМ оказывает выбранный способ формования ККМ.

Композитные материалы с волокнами карбида кремния

При практически равной прочности эти ККМ имеют преимущества перед аналогичными материалами с углеродными волокнами, так как имеют повышенную стойкость к окислению при высоких температурах и значительно меньшую анизотропию коэффициента термического расширения.

В качестве матричного материала используют порошки боросиликатного, алюмоборосиликатного, литиево-боросиликатного стекла или смеси стекол в различных соотношениях. Волокна карбида кремния применяют в виде моноволокна или непрерывной пряжи со средним диаметром отельных волокон 10...12 мкм.

ККМ, армированные моноволокном, получают горячим прессованием слоев из лент волокна и стеклянного порошка в среде аргона. Они удобны с точки зрения изготовления деталей сложных форм из материалов, армированных непрерывной пряжей. По своим свойствам эти материалы даже превосходят ККМ, армированные моноволокном.

Материалы типа керамика-керамика имеют большую перспективу, поскольку малое различие модулей упругости матрицы и наполнителя, КЛТР, химическое сродство позволяют рассчитывать на получение материалов с уникальными свойствами, которые смогут работать до температур 2073К. Эти композиты можно использовать для конструкций ядерных силовых установок, высокотемпературных подшипников уплотнений, направляющих и рабочих лопаток газотурбинных двигателей, антенных обтекателей возвращаемых космических ЛА и носовых обтекателей ракет.