 |
 |
|
 |
|
|
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ |
| Большая советская энциклопедия (БЭС) |
представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру структуры К. м. подразделяются на волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами (См. Нитевидные кристаллы), Дисперсноупрочнённые материалы, полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, Слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. К. К. м. также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
Волокнистые К. м., армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (SiC, AI2O3, бор, углерод и др.) являются новым классом материалов. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555—60 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прообразом К. м. являются широко известный Железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в. прокаткой слоистые материалы.
Успешному развитию современных К. м. содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940—50); открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950—60); разработка новых армирующих материалов — высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al2O3, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960—70).
В технике широкое распространение получили волокнистые К. м., армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжения волокнам. Волокнистые К. м., как правило, анизотропны. Механические свойства их () определяются не только свойствами самих волокон (), но и их ориентацией, объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких соединений (В4С, SiC и др.) обычно составляет 100—150 мкм.
Волокнистые К. м., в отличие от монолитных сплавов, обладают высокой усталостной прочностью -1. Так, например, -1 (база 107 циклов) алюминиевых сплавов составляет 130—150 Мн/м2 (13—15 кгс/мм2), в то время как у армированного борным волокном алюминиевого К. м. -1 около 500 Мн/м2 (при той же базе). Предел прочности и модуль упругости К. м. на основе алюминия, армированного борным волокном, примерно в 2 раза больше, чем у алюминиевых сплавов В-95 и АК4-1.
Важнейшими технологическими методами изготовления К. м. являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием; осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и другие.
Табл. 1. — Механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| | Упрочнитель (волокно) | | Предел | Удельная | Модуль | Удельный | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Матрица (основа) | материал | % (по объёму) | Плотность, кг/м3 | прочности, Гн/м3 | прочность, кн-м/кг | упругости, Гн/м3 | модуль упругости, |
| | | | | | | | Мн-м/кг |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Никель | Вольфрам | 40 | 12500 | 0,8 | 64 | 265 | 21,2 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | Молибден | 50 | 9300 | 0,7 | 75 | 235 | 25,25 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Титан | Карбид кремния | 25 | 4000 | 0,9 | 227 | 210 | 52 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Алюминий | Борное волокно | 45 | 2600 | 1,1 | 420 | 240 | 100 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | Стальная | 25 | 4200 | 1,2 | 280 | 105 | 23,4 |
| | проволока | | | | | | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | Борное волокно | 40 | 2000 | 1,0 | 500 | 220 | 110 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Магний | Углеродное волокно | 50 | 1600 | 1,18 | 737 | 168 | 105 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Полимерное | Борное волокно | 60 | 1900 | 1,4 | 736 | 260 | 136,8 |
| связующее | | | | | | | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Табл. 2.— Свойства нитевидных кристаллов и непрерывных волокон
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Упрочнитель | Температура | Плотность, | Предел | Удельная | Модуль | Удельный |
| | плавления, °С | кг/м3 | прочности, | прочность, | упругости, | модуль |
| | | | Гн/м2 | Мн•м/кг | Гн/м2 | упругости, Мн• |
| | | | | | | м/кг |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Непрерывные волокна |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Al2O3 | 2050 | 3960 | 2,1 | 0,53 | 450 | 113 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| B | 2170 | 2630 | 3,5 | 1,33 | 420 | 160 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| C | 3650 | 1700 | 2,5 | 1,47 | 250—400 | 147—235 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| B4C | 2450 | 2360 | 2.3 | 0,98 | 490 | 208 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| SiC | 2650 | 3900 | 2,5 | 0,64 | 480 | 123 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| W | 3400 | 19400 | 4,2 | 0,22 | 410 | 21 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Mo | 2620 | 10200 | 2,2 | 0,21 | 360 | 35 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Be | 1285 | 1850 | 1,5 | 0,81 | 240 | 130 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Нитевидные кристаллы (усы) |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Al2O3 | 2050 | 3960 | 28* | 7,1 | 500 | 126 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| AlN | 2400 | 3300 | 15* | 4,55 | 380 | 115 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| B4C | 2450 | 2520 | 14* | 5,55 | 480 | 190 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| SiC | 2650 | 3210 | 27* | 8,4 | 580 | 180 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Si2N4 | 1900 | 3180 | 15* | 4,72 | 495 | 155 |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| C | 3650 | 1700 | 21* | 12,35 | 700 | 410 |
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
*Максимальные значения.
В узлах конструкций, требующих наибольшего упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными волокнами, что позволяет повысить в 1,5—2 раза удельную конструктивную прочность по сравнению с цельнометаллическими корпусами. Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает их жаропрочность. Например, армирование никелевого сплава вольфрамовым волокном (проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в 2 раза.
Весьма перспективны К. м., армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10—15 мм по длине.
Разрабатываются К. м. со специальными свойствами, например Радиопрозрачные материалы и Радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие. Свойства К. м. на основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 °С) выше, чем у обычных сплавов. К. м. на никелевой и кобальтовой основах увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200 °С, а на основе тугоплавких металлов и соединений — до 1500—2000 °С. Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов.
Области применения К. м. многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности — для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении — для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности — для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности — в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве — для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности — для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности — для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении — для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др.; в бытовой технике — для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др.
Применение К. м. в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.
Лит.: Волокнистые композиционные материалы, пер. с англ., М., 1967: Современные композиционные материалы, под ред. П. Крока и Л. Броутмана, пер. с англ., М., 1970; Туманов А. Т., Портной К. И., «Докл. АН СССР», 1971, т. 197, № 1, с. 75; 1972, т. 205, №2, с. 336; их же, «Металловедение и термическая обработка металлов», 1972, № 4, с. 24.
А. Т. Туманов, К. И. Портной.
|
| Современная Энциклопедия |
| КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (от латинского compositio - сложение, складывание), материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними (стеклопластики, биметаллы, сталежелезобетон и др.). Характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности. По прочности, жесткости и другим свойствам превосходят многие обычные конструкционные материалы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
 |
|
 |
|
|
