КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
представляют
собой металлич. или неметаллич. 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, дисперсноупрочнённые
материалы, полученные путём введения в металлич. матрицу дисперсных
частиц упрочнителей, слоистые материалы, созданные путём прессования
или прокатки разнородных материалов. К К. м. также относятся сплавы с направленной
кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объёмное 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 др. спец. свойствами.
Волокнистые К. м., армированные нитевидными
Успешному развитию совр. К. м. содействовали:
В технике широкое распространение
Волокнистые К. м., в отличие от монолитных
Табл. 1,- Механические свойства волокнистых
кн • м/кг Гк/м2 °C кг/м3 Гн/л2 Мн-м/кг Важнейшими технология, методами изготовления
В узлах конструкций, требующих наибольшего
Весьма перспективны К. м., армированные
Разрабатываются К. м. со спец. свойствами,
Области применения К. м. многочисленны;
Применение К. м. в ряде случаев
Лит.: Волокнистые композиционные
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов
(SiC, А1
материалов. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике
с глубокой древности. Ещё в Вавилоне использовали тростник для армирования
глины при постройке жилищ, а в Др. 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
.
разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих
высокой удельной прочностью (1940-50); открытие весьма высокой прочности,
приближающейся к теоретич., нитевидных кристаллов и доказательства возможности
использования их для упрочнения металлич. и неметаллич. материалов (1950-60);
разработка новых армирующих материалов - высокопрочных и высокомодульных
непрерывных волокон бора, углерода, А1
на основе металлов (1960-70).
получили волокнистые К. м., армированные высокопрочными и высокомодульными
непрерывными волокнами, в к-рых армирующие элементы несут осн. нагрузку,
тогда как матрица передаёт напряжения волокнам. Волокнистые К. м., как
правило, анизотропны. Механич. свойства их (табл. 1) определяются
не только свойствами самих волокон (табл. 2), но и их ориентацией,
объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную
нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких
соединений (В
мкм.
сплавов, обладают высокой усталостной прочностью o
составляет 130-150 Мн/м2 (13-15кгс/мм2),
в то время как у армированного борным волокном алюминиевого К. м. o
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.
композиционных
материалов с непрерывными волокнами
Матрица
(основа)
Упрочнитель
(волокно)
Плотность
, кг/м'
Предел прочности,
Гн/м2
Удельная
прочность,
Модуль упругости,
Удельный
модуль упругости, Мн-м/кг
материал
% (по объёму)
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
проволока
25
4200
1,2
280
105
23,4
Магний
Борное
волокно
40
2000
1,0
500
220
110
Полимерное
связующее
Углеродное
волокно
50
1600
1,18
737
168
105
Борное
волокно
60
1900
1,4
736
260
136,8
Табл. 2.- Свойства нитевилных кристалле!
и непрерывных волокон
Упрочнитель
Температура
плавления,
Плотность,
Предел прочности
,
Удельная
прочность ,
Модуль упругости,
Гн/л.2
Удельный
модуль упругости, Мн-м/кг
Heпрерывные
волокна
А1
2050
3960
2,1
0,53
450
113
В
2170
2630
3,5
1,33
420
160
С
3650
1700
2,5
1,47
250-400
147-235
В,С
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)
Аl
2050
3960
28*
7,1
500
126
A1N
2400
3300
15*
4,55
380
115
B.C
2450
2520
14*
5,55
480
190
SiC
2650
3210
27*
8,4
580
180
Si
1900
3180
15*
4,72
495
155
С
3650
1700
21*
12,35
700
410
* Максимальные значения.
К. м. являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование
в прессформе лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное
прессование обоихкомпонентов с последующим спеканием; электрохимич. 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 др.
упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной
нагрузки. Цилиндрич. изделия и др. тела вращения (напр., сосуды высокого
давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном
направлениях. Увеличение прочности и надёжности в работе цилиндрич. 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 цельнометаллич. корпусами.
Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает
их жаропрочность. Напр., армирование никелевого сплава вольфрамовым волокном
(проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в
2 раза.
нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов.
Размеры усов обычно составляют от долей до неск. мкм по диаметру
и примерно 10-15 мм по длине.
напр, радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы,
материалы
для тепловой защиты орбитальных космич. аппаратов, с малым коэффициентом
линейного термич. расширения и высоким удельным модулем упругости и др.
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 темп-р 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.
кроме авиационно-космической, ракетной и др. спец. отраслей техники, они
могут быть успешно применены в энергетич. турбостроении, в автомобильной
пром-сти - для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении
- для корпусов и деталей машин; в горнорудной пром-сти - для бурового инструмента,
буровых машин и др.; в металлургич. пром-сти - в качестве огнеупорных материалов
для футеровки печей, кожухов и др. арматуры печей, наконечников термопар;
в строительстведля пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных
сборных сооружений и др.; в хим. пром-сти - для автоклавов, цистерн, аппаратов
сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов
и др.; в текстильной пром-сти - 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.
потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов
конструирования деталей и узлов конструкций.
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,
МЬ2, с. 336; их же, "Металловедение и термическая обработка металлов",
1972, № 4, с. 24. А. Т. Туманов, К. И. Портной.