Слоистые композиционные материалы

Слоистые интерметаллидные композиты (СИК) представляют собой принципиально новый класс конструкционных материалов, обладающих уникальным сочетанием физических и механических свойств. Их производство оказалось возможным благодаря оптимальному конструированию структуры в виде чередующихся по толщине сплошных основных и интерметаллидных слоев.

В качестве основных слоев используются разнородные металлы из сочетаний Ti-Fe, Mg-Al, Cu-Al, Nb-Fe и др., способны за счет реактивной диффузии при нагревах образовывать интерметаллидные прослойки заданной толщины. От их объемной доли и состава зависят физические и механические свойства композитов.

Так, слоистые интерметаллидные композиты системы Ti-Fe в диапазоне рабочих температур 600⁰…850⁰С обладают жаропрочностью, превышающей в 4-9 раз жаропрочность исходных металлов, что выше жаропрочности большинства дорогостоящих высоколегированных сталей.

С помощью сварки взрывом, штамповки, вальцовки, гибки, термообработки существует возможность создавать плоские и объемные титано-стальные узлы и конструкции типа ребро-настил, тавровые и двутавровые балки и т.п.

К современным металлополимерным слоистым композитам относится материал АЛОР. Он представляет собой сочетание чередующихся, адгезионно соединенных слоев органопластика и алюминиевого сплава. Равнопрочный АЛОР имеет механические свойства на уровне алюминиевого сплава, однако за счет более низкой плотности достигается выигрыш по массе. Данный материал предназначен для изготовления элементов конструкции летательных аппаратов.

Алюмостеклопластики (СИАЛы) являются новым семейством гибридных листовых композиционных материалов, предназначенных для конструкционного использования в основных элементах летательных аппаратов. Они включают в свой состав тонкие алюминиевые листы (0,25…0,6 мм) и промежуточные тонкие слои полимерного композита (0,2…0,4 мм), состоящего из термореактивных клеевых и термопластичных связующих с высокопрочными армирующими стеклянными волокнами.

Данные материалы предназначены для замены алюминиевых конструкционных монолитных листов с целью снижения массы (на 15…40%), повышения надежности и снижения стоимости эксплуатации конструкции.

Возможности повышения рабочих температур современных жаропрочных и жаростойких сплавов на основе титана, никеля и тугоплавких металлов за счет их твердорстворного упрочнения практически исчерпаны. Поэтому большое внимание исследователей привлекают композиционные материалы на основе интерметаллидов, тугоплавких металлов, упрочненные дисперсными волочениями или непрерывными волокнами более тугоплавких, прочных и жестких, чем матрица.

Разнообразные комбинации упрочняющих фаз и матриц, способов изготовления из них композитов обеспечивают получение широкого спектра служебных свойств. Для композитов, предназначенных для длительной высокотемпературной службы, решающими моментами при выборе являются не только достигаемые высокие механические свойства, но главное, их стабильность в течение длительного времени при высоких температурах и нагрузках. Следовательно, при конструировании высокотемпературных композитов и подборе пар упрочняющая фаза – матрица большое значение приобретают не только прочность исходных материалов, их объемная доля, схема армирования, но и термическая стабильность компонентов при взаимном контакте друг с другом, т.е. механическая совместимость и физико-химическая совместимость.