Требования, предъявляемые к КМ

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КМ

Классификация КМ

В большинстве КМ (за исключением слоистых) компоненты можно подразделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы (1-3). В КМ конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. Матрица в КМ обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.

КМ, представляют собой полимерные, металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции (1-5).

По характеру структуры КМ подразделяются на:

– волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами;

– дисперсно-упрочнённые материалы, полученные путём введения в матрицу дисперсных частиц упрочнителей;

– слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов.

По характеру распределения армирующего материала КМ можно разделить на два основных класса:

– с упорядоченным армированием;

– с неупорядоченным армированием.

В первом случае разработчик материала заранее задается конфигурацией, т.е. геометрической структурой распределения арматуры в матрице. Во втором случае распределение арматуры носит случайный, хаотический характер.

КМ обоих классов можно разделить по типу материалов, используемых в качестве матриц и армирующих материалов. И те, и другие материалы могут быть органической и неорганической природы. Свойства КМ зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.

Волокнистые композиционные материалы. Прочность волокнистых КМ определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Наиболее широкое применение в технике получили КМ, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят:

– полимерные КМ на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами;

– металлические КМ на основе сплавов алюминия, магния, меди, титана, никеля, хрома, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;

– КМ на основе углерода (углепластики), армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы);

– КМ на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

При использовании углеродных, арамидных, сверхвысокомолекулярного полиэтилена, стеклянных и борных волокон, содержащихся в материале в количестве до 70%, созданы композиции с прочностными характеристиками и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые КМ превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам.

Углепластики на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, химической стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000°С в инертной среде.

Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать КМ, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости.

Содержание волокон в ориентированных материалах составляет 60-80 об % в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость КМ. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге, сжатии и сопротивление усталостному разрушению. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства КМ. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Перспективное направление создания высокопрочных КМ – это армирование материалов нитевидными кристаллами ("усами"), которые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. Наибольший интерес представляют КМ, армированные нитевидными кристаллами керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10-15 мм по длине. Наибольший практический интерес представляют кристаллы оксидов алюминия, бериллия, карбидов кремния и бора, нитридов кремния и алюминия диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока. КМ на основе эпоксидной матрицы и нитевидных кристаллов ThO₂ (30% по массе) имеют модуль упругости 70 ГПа. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрических и магнитных свойств. Выбор и назначение КМ во многом определяются условиями эксплуатации детали или конструкции, технологическими возможностями.

Пороха и смесевые твердые ракетные топлива (1) можно также отнести к волокнистым, но энергонасыщенным КМ, принимая во внимание то, что основой пороха является целлюлоза-волокнистое высокомолекулярное соединение (ВМС). Поэтому большинство процессов, протекающих при формировании данных энергонасыщенных конденсированных систем (ЭКС) и изготовлении изделий на их основе подчиняется закономерностям, характерным для ВСМ, рассмотренным в данном пособие.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых КМ в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.

Рисунок 1.1. Древесно-стружечный материал (ДСП)

Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице.

Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 10 об %. Дисперсно-упрочненные КМ могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок).

Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250-500°С, по длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45-55 МПа.

Пиротехнические составы и твердые топлива, содержащие ВСМ в виде компонентов и специальных добавок можно отнести к дисперсно-упрочненным энерогонасыщенным КМ, т.к. их основные компоненты-окислители и горючие используются, как правило, в порошкообразном виде. В связи с этим все процессы, проходящие на границе раздела фаз при формировании зарядов из них рассматриваются исходя из закономерностей, характерных для ВСМ (2).

Армирование материалов дисперсными частицами приводит к повышению прочности КМ за счет образования адгезионных взаимодействий между функциональными группами матрицы и наполнителя.

Слоистые композиционные материалы. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.

Требования, предъявляемые к КМ

К КМ в основном предъявляются требования по физико-механическим свойствам, а в ряде случаев – по физико-химической стабильности и коррозионной стойкости. КМ должны выдерживать определенный уровень механических нагрузок: это растяжение, сжатие, изгиб и характер нагружения (статический, динамический). КМ должны быть устойчивы к действию окружающей среды (температура, влажность, давление, агрессивная среда). Эти факторы определяют комплекс конструктивно-эксплуатационных требований, предъявляемых к КМ ( 3- 5).

К показателям конструкционной прочности материалов относятся характеристики долговечности изделий (усталостная прочность, износоустойчивость, коррозионная стойкость) и надежность материала в изделии (вязкость разрушения, живучесть при циклическом нагружении). Количественные характеристики перечисленных свойств определяются при статических и динамических испытаниях образцов, приближенным к реальным условиям эксплуатации.

К КМ предъявляются требования по технологичности. Технологичность – это способность материала приобретать заданную форму при действии различных факторов (температура, давление, влажность), подвергаясь механической обработке, и иметь способность устойчиво соединяться различными методами (сваркой, склеиванием).

Специальные требования к КМ – это магнитные, изоляционные свойства, качество поверхности: цвет, шероховатость.

С другой стороны КМ имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.

Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

Анизотропия - непостоянство свойств КМ от образца к образцу. Для компенсации анизотропии увеличивают коэффициент запаса прочности, что может нивелировать преимущество КМ по удельной прочности. Таким примером может служить опыт применения КМ при изготовлении вертикального оперения истребителя МиГ-29. Из-за анизотропии применявшегося КМ вертикальное оперение было спроектировано с коэффициентом запаса прочности кратно превосходящим стандартный в авиации коэффициент 1,5, что в итоге привело к тому, что композитное вертикальное оперение МиГ-29 оказалось равным по весу конструкции классического вертикального оперения, сделанного из дюралюминия.

Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из КМ, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.

Гигроскопичность КМ, т.е. склонность впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры КМ. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру КМ, разрушает изделие из КМ изнутри (эффект по природе аналогичен разрушению автомобильных дорог в межсезонье). Так одной из возможных причин авиакатастрофы American Airlines Flight 587, в которой от фюзеляжа оторвался композитный киль, причина – разрушение структуры композитного киля от периодически замерзавшей в ней воды. КМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин.

Токсичность. При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека, например мебель, окна, двери, линолиум, спортивный инвентарь, композитный фюзеляж самолета (например, Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.

Низкая эксплуатационная технологичность. КМ обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Знание закономерностей, определяющих в материале наличие тех или иных свойств, позволяет рационально использовать существующие и создавать новые КМ.