Композиционные материалы

Композиционные материалы (далее – КМ) по удельной прочности и жесткости, жаропрочности, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам зачастую превосходят все известные конструкционные сплавы.

I

Все КМ состоят из сравнительно непрочной и пластичной матрицы, перераспределяющей нагрузку и объединяющей материал в единое целое, и армирующих элементов, несущих основную силовую нагрузку. В качестве армирующих элементов используются тонкодисперсные твердые тугоплавкие частицы, высокопрочные волокна из различных материалов, проволока или даже стальная сетка и прутки, как это делается в самом распространенном КМ – железобетоне. Схема армирования может быть от однонаправленной (линейной) до пространственной (рис. 3.5).

Стальная проволока имеет предел прочности до 5000 МПа, борные волокна – до 3000 МПа, углеродные волокна – до 2500 МПа, волокна из карбидов, нитридов, боридов и оксидов – от 2500 до 3500 МПа.

По составу матрицы КМ подразделяются на два вида.

1. С металлической матрицей, которая выполняется из алюминия, магния, никеля, титана или их сплавов. Прочность алюминиевых сплавов, армированных борными волокнами, достигает 1 800 МПа. Наиболее распространены КМ на основе алюминия, и в частности спеченный алюминиевый порошок – САП (σ_в = 300…400 МПа при δ = 8…3%), состоящий из алюминиевой матрицы, в которой равномерно распределены чешуйки Al₂O₃. САП применяют для изготовления высоконагруженных деталей сложной формы для ракет и самолетов. Отличительной особенностью КМ с металлической матрицей является жаропрочность – из них изготавливают даже рабочие и сопловые лопатки турбин.

2. С неметаллической матрицей, в качестве которой чаще всего применяется полимерная – эпоксидная, фенолоформальдегидная, полиамидная; реже применяют более дорогие, но и более прочные углеродные и керамические матрицы.

В зависимости от вида армирующих волокон эти КМ подразделяют на стекловолокниты, карбоволокниты, бороволокниты, органоволокниты. Наибольшей прочностью обладают стекловолокниты – σ_в до 2100 МПа; бороволокниты – до 1300 МПа; карбоволокниты – до 1000 МПа; органоволокниты, производимые на основе синтетических волокон, в большинстве случаев имеют прочность, меньшую на порядок, но зато они менее чувствительны к внешним повреждениям. Из КМ с неметаллической матрицей изготавливают несущие детали летательных аппаратов, корпуса автомашин и катеров, автоцистерны, строительные панели, трубы, корпуса насосов и вентиляторов, спортивный инвентарь (лыжи, клюшки, рамы и колеса велосипедов) и т. п.

Раздел 4