Глава 6. неметаллические конструкционные материалы

6.1. Пластмассы, их виды, свойства и области применения

Классификация полимеров. Термопластические и термореактивные пластмассы. Пластмассы с газовоздушным, волокнистым наполнителем.

Пластмассами называют материалы, основным связующим компонентом которых является синтетический или природный полимер, а другими компонентами служат наполнители - пластификаторы, красители, смазки, стабилизаторы и др. Пластмассы способны при определенных условиях формоваться и сохранять приданную им форму.

По способу изготовления  синтетические полимеры разделяют на получаемые полимеризацией, поликонденсацией и химическим модифицированием.

Полимеры первого типа получают в результате протекания реакции полимеризации, т. е. образования полимеров при взаимодействии нескольких мономеров, без изменения первоначального состава. К ним относят полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, политетрафторзтилен и др.

Полимеры второго типа образуются из нескольких мономеров, в результате протекания реакции поликонденсации; в этом случае процесс получения полимера сопровождается выделением побочных продуктов (например, воды, углекислоты, аммиака и др.), в результате чего состав полимера не соответствует составу первоначальных веществ. Реакция поликонденсации протекает с участием катализаторов (кислот или оснований). Природа катализатора оказывает влияние на характер продукта поликонденсации. Так, при взаимодействии мономеров (фенол и формальдегид) в кислой среде образуется полимер, называемый новолачной смолой, имеющей линейную или разветвленную структуру связи. Эта смола при нагревании размягчается, а при охлаждении затвердевает, не претерпевая при этом химических превращений. При взаимодействии тех же мономеров в основной среде образуются резальные смолы, имеющие трехмерное, сетчатое строение. Эти смолы вследствие глубоких химических превращений теряют свойство размягчаться при повторном нагревании. К поликонденсационным синтетическим полимерам относят фенолоформальдегидные, меламино-формальдегидные, мочевино-формальдегидные и другие смолы, сложные полиэфиры и т. д.

Наконец, полимеры третьего типа получают путем замены атомов водорода или других элементов на новые атомы и группы в полимерной цепи, приобретающей новые свойства. Широко используют хлорирование полимеров, при котором получают хлорированный полиэтилен, хлорированный поливинилхлорид и т. д.

Синтетические полимеры получают при химической переработке каменного угля, природного и промышленного газа, нефти и других видов сырья.

К природным полимерам или смолам относят шеллак, природные и нефтяные асфальты, каучук, целлюлозу, канифоль, природные битумы и т. д.

Физико-химические свойства пластмасс, методы изготовления из них изделий и область применения в значительной степени определяется наполнителем. В качестве наполнителя используют материалы органического и неорганического происхождения:  древесная мука, хлопковые очесы, бумага, графит, цемент, сажа, стеклянное волокно, ткани, слюда и т. д.

Для повышения пластичности и других технологических свойств пластмассы в состав исходной смеси вводят пластификаторы (камфару, олеиновую кислоту, дихлорэтан, дибутилфталат и др.). Для ускорения процесса отверждения при переработке исходного материала в изделия применяют катализаторы (известь, магнезия, уротропин и др.).

В состав исходных смесей в небольших количествах (0,5.. 1,5%) вводят смазывающие вещества (стеарин, воск и др.). Они предотвращают прилипание к пресс-формам пластмассовых изделий при их изготовлении.

Для придания изделию определенной окраски в состав исходных смесей вводят красители (анилиновые красители, нигрозин и др.).

При изготовлении пластмассовых изделий исходный материал подвергают совместному действию нагрева и давления. В зависимости от изменения свойств при нагреве полимеры разделяют на две основные группы: термопластичные и термореактивные. Первые из них образуются на базе новолачных смол а вторые - на базе резальных смол.

Термопластичные полимеры (термопласты) при нагревании размягчаются, переходя сначала в высокоэластичное, а затем в вязкотекучее состояние; при охлаждении они затвердевают. Процесс этот является обратимым, т. е. его можно повторять многократно. К термопластам относят полимеры с линейной и разветвленной структурой связи; у них мономеры связаны один с другим только в одном направлении. При повторном нагревании такие химические связи не разрушаются; молекулы мономеров приобретают гибкость и подвижность, т. е. никаких необратимых химических превращений при нагревании и охлаждении не происходит.

Термореактивные полимеры (реактопласты), при нагреве сначала размягчаются, если они были твердыми, а затем переходят в твердое состояние. Процесс этот является необратимым, т. е. при нагревании происходят необратимые химические превращения и при повторном нагреве такие полимеры не размягчаются. К реактопластам относят полимеры с сетчатой или сшитой структурой связи. Такие полимеры образуют в гигантских макромолекулах двух- или трехмерные связи, т. е. их мономеры или линейные молекулы жестко связаны между собою и не способны взаимно перемещаться.

Термопластические пластмассы

Это -  группа пластмасс на основе синтетических полимеров, полученных по реакциям цепной полимеризации: полиэтилен, поливинилхлорад, полиамиды, полиуретаны, полистирол, полиформальдегид,. полиметилметакрилат, поликарбонат, полипропилен, фторопласт и другие.

Полиэтилен в зависимости от способа производства различают

·         высокого давления (ВД) или низкой (0,918...0,930г/см*) плотности, его получают полимеризацией этилена при температуре 200...250°С;

·         среднего давления (СД) или средней (0.931..0.945 г/см²) плотности, его производят полимеризацией этилена в присутствии катализатора (окись хрома и кремния) при 125-150°С;

·         низкого давления (НД) или высокой (0,946...0,970 г/см²) плотности, его получают в присутствии катализатора (четыреххлористого титана и др.) при температуре до 60^оС.

Чистый полиэтилен на воздухе подвергается старению, становится жестким и хрупким. Для замедления старения при термической переработке к нему добавляют термостабилизаторы (ароматические амины, фенолы, сернистые соединения), а для улучшения светостойкости вводят светостабилизаторы (сажа, графит). Полиэтилен широко применяют в технике в виде конструкционных деталей различных машин и механизмов, труб, листов, пленки, кабельной изоляции, покрытий и т. д.

Поливинилхлорид - материал аморфной структуры белого цвета. Поливинилхлорид выпускают без пластификатора (непластифицированный поливинилхлорид, или винипласт) и с пластификатором (пластифицированный поливинилхлорид, или пластикат).

Винипласт - материал, для изготовления пленки, листов, труб и профильных изделий. Пленка из винипласта может применяться при температурах от -20 до +60°С. Листовой винипласт выпускают трех марок: ВН (винипласт непрозрачный), ВП (прозрачный) и ВИТ (нетоксичный). Винипласт в виде труб и профильных изделий применяют в химической промышленности. Винипласт имеет плотность 1,3-1,6 г/см³, предел прочности 45-55 МПа, ударную вязкость 120 кДж/м².

Пластикат обычно получают из смеси полимера с пластификатором и стабилизатором (сажа, двуокись титана и т. д.). Пластикат выпускают листовой, прокладочный, профильный декоративный кабельный светотермостойкий и т. д. Механические свойства пластиката несколько ниже механических свойств винипласта, а морозостойкость составляет до -50^оС. При добавке специальных пластификаторов и красителей на основе пластиката получают винилит - тонкую хлопчатобумажную ткань, покрытую с одной стороны пластикатовой пленкой (применяют для плащей, накидок и других изделий) и линолеум - пластикат с наполнителем.

Полиамид получают поликонденсацией аминокислот, а также диаминов с дикарболовыми кислотами. Его применяют для производства синтетических волокон и нитей, антифрикционных изделий, труб, пленок, различных деталей машин и приборов. Полиамидные волокна наибольшее применение получили в текстильной промышленности благодаря способности полиамида вытягиваться и ориентироваться при холодной вытяжке. Волокна легкие (плотность 1.04...1.14 г/см³), износоустойчивые, несминаемые, имеют малую гигроскопичность и хороший внешний вид. Ткани из полиамидного волокна используются для изготовления мешков, приводных ремней компрессоров, сепараторов, конвейерных лент, электроизоляции и др. Такие волокна имеют предел прочности 4,5...7,0 МПа и относительное удлинение 20 - 30%. Полиамиды обладают высокими физико-механическими свойствами: плотность 1.12...1.16 г/см³, s_В= 45...95 МПа, d= 100...300%, KCU= 100...250 кДж/м²,  НВ 4.0...15.

Полиуретаны представляют собой высокоплавкие кристаллические полимеры, способные при вытяжке давать ориентированную кристаллическую структуру волокна. Полиуретановые материалы выпускают в виде белого литьевого порошка. Из полиуретанов получают волокна, литьевые изделия и другие материалы. Волокна пригодны для изготовления фильтровальных тканей, кабельной изоляции, парашютной ткани, защитных покрытий и других технических целей. Детали радио- и электротехнической промышленности получают литьем под давлением. Эти детали могут работать длительное время при высокой влажности и температуре до 100...110^оС. Изделия из полиуретана имеют плотность 1,21 г/см³, s_В= 50...85 МПа, KCU= 50 кДж/м², НВ 8 …12.

Полистирол является продуктом полимеризации стирола. Он нерастворим в воде и обладает хорошей химической стойкостью ко многим агрессивным средам (уксусной, соляной и фосфорной кислотам, щелочам, эфирам и т. д.). Полистирол является хорошим диэлектриком; электроизоляционные свойства полистирола почти не зависят от частоты тока. Его выпускают в виде порошков, трубок, профильных изделий, пленки, нитей, лент, облицовочных плит, легковесных пенопластов и т. д.

Изделия из полистирола имеют плотность 1,07 г/см³, s_И= 80... 100 МПа, KCU= 12 . . . 20 кДж/м², НВ 15.

Полиформальдегид  обладает повышенной механической прочностью, имеет незначительный износ и усадку, низкий коэффициент трения и высокую химическую стойкость к действию многих растворителей. Диэлектрические свойства полиформальдегида сохраняются при значительной влажности воздуха и даже при погружении в воду. Рабочая температура изделий из полиформальдегида от -40 до 180^оС. Он имеет плотность .1,42... 1,43 г/см³, s_В= 70 МПа, d= 15...20%, KCU=  90 кДж/м², НВ 20 40, коэффициент трения по стали 0.1...0.3. Полиформальдегид выпускают в виде белого порошка или гранул бесцветных или окрашенных, перерабатываемых методом литья под давлением (при 190...208^оС), экструзией (при 170- 190^оС) и прессованием (при 180- 190^оС).

Полиформальдегид применяют для изготовления различных деталей, заменяющих изделия из стали и цветных металлов. Известно свыше 2000 примеров применения полиформальдегидов; при этом 80% всего производимого полимера используют для замены металлов.

Полиметилметакрилат является продуктом полимеризации метакриловой кислоты. В зависимости от строения может быть твердым или мягким при обычной температуре; он представляет собой прозрачную и бесцветную стекловидную массу, известную под названием органическое стекло. Легко подвергается переработке прессованием, литьем под давлением и др. Выпускают в виде порошков, стержней, труб, листов, а также самоотверждающихся пластмасс, светотехнического стекла. Последнее применяют для светильников с люминисцентными лампами и лампами накаливания, для предметов бытового назначения и т. п. Оргстекло поддается обработке резанием, штамповке при 150^оС, сварке, склеиванию.

Полипропилен получают полимеризацией пропилена в присутствии комплексного катализатора. Он представляет собой бесцветный жесткий нетоксичный продукт без запаха; отличается хорошей прозрачностью и блеском. Полипропилен можно получить с высокой степенью кристалличности, что обеспечивает ему лучшие среди термопластов механические свойства (в частности, предел прочности при растяжении и статическом изгибе) и теплостойкость. Из полипропилена изготовляют полуфабрикаты в виде труб, листов, пленок, волокон; формовочные, прессовочные и литые детали машин, холодильников, телефонов и др. Полипропилен имеет плотность 0,9 г/см³, s_В= 30...35 МПа, KCU=  120 кДж/м², d=400-800 %. Кроме кристаллического используют также аморфный полипропилен для изготовления клея, замазок, изоляционных лент и уплотняющих материалов.

Фторопласт представляет собой полимер этилена, в котором все атомы водорода замещены фтором, который очень прочно связывается с атомами углерода и обусловливает появление у полимера важных технических свойств - высокой теплостойкости и химической стойкости, хороших диэлектрических и антифрикционных свойств. Выпускают два типа полимера: фторопласт-4 и фторопласт-3, а также их модификации. Фторопласт известен под торговой маркой тефлон.

Фторопласт-4 является кристаллическим полимером, степень кристалличности которого составляет 80-85%, -достигая в ряде случаев 93-97%, температура плавления 327°С. При нагревании до температуры выше 327°С кристаллиты плавятся и вся масса становится аморфной; при последующем охлаждении он вновь кристаллизуется. Изделия из фторопласта-4 можно эксплуатировать до температуры 250...260^оС, не опасаясь существенного изменения их механических свойств. Фторопласт-4 является наиболее химически стойким материалом из всех известных пластмасс. Его устойчивость к химическому воздействию превышает даже стойкость благородных металлов (золота и платины), стекла, фарфора, эмали, специальной коррозионностойкой стали и сплавов, он обладает очень низким коэффициентом трения (около 0,02) .

Изделия из фторопласта-4 применяют в электро- и радиопромышленности, в химической и пищевой промышленности и др.

Фторопласт-3 также является высококристаллическим полимером: у медленно охлажденных образцов степень кристалличности достигает 85-90%. При 208-210°С он переходит в высокоэластичное состояние, а при дальнейшем нагревании -вязкотекучее, что позволяет получать из него детали всеми способами переработки термопластов. Одним из важных технологических показателей для фторопласта-3 является его высокая термостойкость. Фторопласт-3 применяют для изготовления уплотнительных деталей в электротехнике, в химической промышленности, а также для антикоррозионных покрытий.

Фторопласты имеют плотность 2,09-2,3 г/см³, предел прочности 20 40 МПа, ударную вязкость 100 160 кДж/м², относительное удлинение 200 250%, твердость НВ 34.

Термореактивные пластмассы

Этот вид пластмасс (их еще называют слоистые пластмассы) выпускают в виде поделочных материалов-листов и плит. Это материалы на основе синтетических полимеров, получаемых поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией. Пластмассы изготовляют прессованием листовой бумаги, ткани, древесного шпона или других материалов, пропитанных резальными смолами или их смесью.

Текстолит представляет собой группу слоистых пластмасс светло-желтого, темно-коричневого или черного цвета на основе фенолоформальдегидной резальной смолы с наполнителем из хлопчатобумажных тканей, уложенной слоями. Текстолит различают нескольких видов; поделочный, электротехнический, металлургический и прокладочный. Основным видом, текстолита является поделочный, используемый как конструкционный и антифрикционный материал для изготовления вкладышей подшипников скольжения, бесшумных шестерен, сепараторов шарикоподшипников и др. деталей машин.

Электротехнический текстолит используют в основном как конструкционный и электроизоляционный материал для работы в трансформаторном масле и на воздухе с температурой от -60 до +70^оС. Металлургический текстолит применяют для изготовления подшипников скольжения прокатных станов.

Плотность текстолита 1.3...1.4 г/см³, s_СЖ перпендикулярно-слоям ткани 200...250 МПа и параллельно слоям ткани 120...190 МПа, КСU= 25 35 кДж/м², НВ 25 35.

Стеклотекстолит получают прессованием полотнищ стеклоткани или композиций стеклянной или хлопчатобумажной тканей, пропитанных модифицированными резальными смолами и используют в машиностроении, авиации, электротехническом и химическом машиностроении и.т.д. Конструкционные стеклотекстолиты выпускают в виде листов и плит толщиной 0.5...35 мм, их плотность 1.6...1.9 г/см³ s_В= 100...300 МПа, КСU= 35...75 кДж/м² НВ 4-40.

Гетинакс - слоистый прессованный материал, состоящий из двух и более слоев бумаги, пропитанных термореактивной фенола-альдегидной, фенола-анилина-альдегидной резальной смолой или смесью этих смол. Его применяют в электротехнике для изготовления электроизоляционных, трансформаторных и телефонных деталей, а также деталей радиоустановок, печатных схем телевизоров и т. д. Рабочие температуры изделий из гетинакса от -60 до +105°С. Гетинакс имеет плотность 1,3...1,4 г/см³, s_В= 80...100 МПа, КСU=  16...20 кДж/м²,  НВ 25 -40.

Пластмассы с газовоздушным наполнителем

В зависимости от структуры (строения ячеек), приобретаемой в процессе изготовления, газовоздушные пластмассы разделяют на пенопласты и поропласты. У пенопластов замкнутые или изолированные ячейки, в то время как у поропластов ячейки не замкнуты и могут сообщаться между собой. Это определяет и ряд их свойств. Так, пенопласты менее теплопроводны, газонепроницаемы. Благодаря замкнутой пористой структуре они не впитывают влаги и отличаются очень малой плотностью. Поропласты несколько тяжелее пенопластов, но превосходят их по звукопоглощению вследствие лабиринтной структуры микропор. Образование пустотелой структуры этих материалов достигается химическими (введением пенообразующих компонентов, например порофора) или физическими (насыщением полимерных пастообразующих масс инертными газами под давлением).

Мипора представляет собой термореактивную пластмассу на основе мочевина-формальдегидной смолы. Мипору применяют в качестве тепло- и звукоизоляционного материала в холодильниках и для других целей. Рабочая температура миноры до 100^оС. Широкое применение мипоры определяется легкостью (плотностью 0.01...0.02 г/см³), небольшой теплопроводностью и стойкостью против горения.

Пенополистирол является пластмассой на основе полистирола с замкнутыми ячейками, наполненными воздухом или каким-либо газом (например, азотом). Применяют его в качестве легкого заполнителя в армированных конструкциях, а также в качестве теплоизоляционного материала для водопроводных труб, холодильников и т. п.

Пенопласты изготовляют из поливинилхлорида, фенолоформальдегидных смол и других полимеров. Пенопласты используют как теплоизоляционный материал, а также для изготовления радиотехнических деталей, звуко- и теплоизоляции.

Пенополиуретан на основе полиэфиров эластичен в то же время жесток. Более распространен жесткий полиуретан с равномерно закрытой структурой. Он эффективен в качестве амортизатора и тепло-звукоизолирующего материала от -60...+130^оС. Из него изготовляют мелкопористый материал для очистки воздуха от промышленной пыли. Выпускают в виде листов.

Пластмассы с волокнистым наполнителем

В качестве наполнителей используют хлопковую целлюлозу, асбестовое и стеклянное волокно, шерстяные очесы и др., а также мелкие кусочки ткани и древесного шпона, стеклокрошку и т. д. Связующим являются термореактивные резальные смолы. К этой группе пластмасс относятся волокнит, стекловолокнит, асбоволокнит, этролы, фаолит и др.

Волокнит получают на основе феноло-формальдегидной резальной смолы (52%) и хлопковой целлюлозы (48%). Механические свойства волокнита во многом зависят от длины волокон целлюлозы; чем больше длина волокон, тем выше механические свойства. Его применяют в машиностроении и приборостроении в качестве конструкционного материала для изготовления горячим прессованием роликов транспортеров, блоков, маховичков и ручек станков, шкивов, шайб и других деталей. Плотность волокнита 1.35...1.45 г/см³, предел прочности 30 МПа, ударная вязкость 9 кДж/м², твердость НВ 25.

Стекловолокнит состоит из резальных смол, а наполнителем служит стекловолокно, стеклокрошка и другие материалы. Изделия из стекловолокнита получают горячим прессованием. Стекловолокнит выпускают нескольких марок, основными из которых являются АГ-4В, АГ-4А, СВАМ и др. Стекловолокнит марки АГ-4В имеет спутанные бесщелочные стекловолокна диаметром 5...7 мкм в качестве наполнителя, а марки АГ-4С-стеклонити. Этот материал предназначен для изготовления прессованием изделий повышенной прочности, пригодных для работы при температурах от -60 до +200^оС. Материал марок АГ-4В, АГ-4С имеет плотность 1,7... 1,9 г/см*, предел прочности 80...200 МПа, ударную вязкость 15... 4O кДж/м².

Асбоволокниты изготовляют на основе смол с асбестовым волокнистым наполнителем. Изделия из этих пластмасс получают горячим и литьевым прессованием. Асбоволокниты применяют для изготовления высоко- и низковольтных коллекторов электрических машин и других электроизоляционных деталей с повышенной механической прочностью и теплостойкостью, деталей с повышенной механической прочностью, теплостойкостью и фрикционными свойствами (тормозные колодки вагонов метро, экскаваторов и автомобилей, для дисков сцепления мотоциклов и др.).

Асбоволокниты имеют плотность 1,6...2,0 г/см³, предел прочности при сжатии 80...110 МПа, ударную вязкость 18...20 кДж/м², твердость НВ 25...30.

Этролы получают на основе химически модифицированных природных эфиров целлюлозы, относят к группе пластмасс с волокнистым наполнителем. Этролы обладают хорошими физико-механическими и диэлектрическими свойствами, но имеют низкую теплостойкость. Изделия получают горячим прессованием. Применяют этрол для изготовления штурвалов, рукояток и других деталей в автомобильной промышленности. Этрол ацетилцеллюлозный имеет плотность 1.32...1.4 г/см³, предел прочности при изгибе 40...50 МПа, ударную вязкость 20...35 кДж/м², твердость НВ 4...4,5.

6.2. Композиционные материалы

Классификация и строение композиционных материалов.  Дисперсно-упрочненные композитные материалы.

Композиты, армированные частицами.  Высокопрочные полимерные композиционные материалы

Композиционными материалами (композитами) называют материалы, состоящие из сильно различающихся по свойствам друг от друга взаимно нерастворимых компонентов (отдельных волокон или других армирующих составляющих и связующей матрицы),  обладающие специфическими свойствами, отличающимися от свойств компонентов. Композиционные материалы позволяют создавать элементы конструкций с заранее заданными свойствами.

Композиционные материалы позволяют:

·         создавать элементы конструкций с заранее заданными свойствами, высокой эффективностью по массе и высокой технологичностью;

·         создавать материалы с качественно новыми свойствами и не только повышать эксплуатационные характеристики существующих конструкций, но и создавать принципиально новые конструкции, недоступные при применении традиционных материалов.

Компоненты композитов должны быть совместимы, т.е. они не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга. Свойства композиционных материалов нельзя определить только по свойствам компонентов, без учета их взаимодействия.

Композиционные материалы классифицируют по следующим основным признакам:

·         материалу матрицы и армирующих элементов,

·         геометрии компонентов, структуре и расположению компонентов,

·         по методу изготовления.

Строение композиционных материалов

Композиционные материалы состоят из сравнительно пластичного матричного материала и более твердых и прочных веществ, являющихся упрочняющими наполнителями. Матрица связывает композицию и придает ей нужную форму. Название композиционных материалов происходит от материала матрицы. Композиты с металлической матрицей называют металлическими, с керамической - керамическими, с полимерной - полимерными. Композит, содержащий 2 или более различных матричных материала, называется полиматричным.

По типу упрочняющих наполнителей композиционные материалы подразделяют на дисперсноупрочненные, армированные или волокнистые, и слоистые (рис. 6.1). Композиционные материалы, содержащие 2 или более различных армирующих элементов, называются полиармированными. Полиармированные композиты, в свою очередь, делятся на простые, если армирующие элементы имеют различный состав, но одинаковую геометрию (например, стеклоуглепластик - полимер, армированный стеклянными и углеродными волокнами), и комбинированные, если армирующие элементы имеют различные состав и геометрию (например, композит, состоящий из алюминиевой матрицы, борных волокон и прослоек из титановой фольги).

В дисперсноупрочненные композиционные материалы искусственно вводят мельчайшие равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и другие, не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояния между ними, тем прочнее композиционный материал. В дисперсноупрочненных композиционных материалах матрица является основным несущим элементом.

Ко второй группе относятся композиционные материалы, армированные дискретными или непрерывными волокнами (например, алюминий - усы SiC, алюминий - борные волокна, стеклопластики). Арматурой в армированных композиционных материалах могут быть волокна различной формы (нити, ленты, сетки разного плетения). Прочность таких композиционных материалов определяется прочностью армирующих волокон, которые воспринимают основную нагрузку. Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.

Слоистые композиционные материалы набираются из чередующихся слоев волокон и листов матричного материала (типа “сэндвич”). Слои волокон в таком композиционном материале могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев матрицы из сплавов с различными механическими свойствами.

По структуре и расположению компонентов композиционные материалы делятся на группы с каркасной, матричной, слоистой и комбинированной структурой. К композитам с каркасной структурой относятся керметы, полученные пропиткой; с матричной - дисперсно-упрочненные и другие армированные материалы; со слоистой - композиции, полученные из набора чередующихся листов материалов различного состава, и комбинированной - материалы, содержащие комбинации первых трех групп.

Рис. 6.1. Типы композиционных материалов: дисперсноупрочненные, армированные или волокнистые

 В зависимости от геометрии армирующих элементов и их взаимного расположения композиты бывают изотропными или анизотропными. Если композиционный материал с матричной структурой армирован элементами, имеющими хаотичную ориентацию в пространстве (дисперсными включениями, дискретными или непрерывными волокнами), он является изотропным. Композиционные материалы с матричной структурой, упрочненные армирующими элементами, ориентированными определенным образом в пространстве, относятся к анизотропным.

По методам изготовления композиционные материалы делятся на материалы, полученный жидко- и твердофазными методами, методами осаждения - напыления, и комбинированными методами. К жидкофазным методам относятся пропитка (например, пропитка каркасов из карбида титана сталями или жаропрочными материалами), непрерывное литье, направленная кристаллизация эвтектических сплавов. К твердофазным методам относятся прессование, прокатка, ковка, волочение, диффузионная сварка и др. Для композиционных материалов, полученных твердофазными методами, характерно использование матрицы в виде порошка, листов или фольги. При изготовлении композитов методом осаждения - напыления матрицу наносят на волокна из растворов солей, парогазовой фазы, газоплазменным и плазменным напылениями. Комбинированные методы заключаются в использовании комбинации нескольких методов. Например, плазменное напыление используют как предварительная операция, а в качестве окончательной операции применяют прокатку или прессование.

Композиционные материалы, армированные частицами

Микроструктура материалов, упрочненных частицами, состоит из матрицы и равномерно в ней распределенных упрочняющих частиц. Если размер упрочняющих частиц l < 10^-5 см, то материал называют дисперсно-упрочненным, если l > 10^-4 см, то это — материалы, упрочненные частицами. Объемная доля упрочняющей фазы в КМ может быть различной и колеблется от нескольких (в дисперсно-упрочненных КМ) до десятков процентов в КМ, упрочненных частицами.

Дисперсно-упрочненные композитные материалы.

В дисперсно-упрочненных материалах матрица воспринимает основную часть внешней нагрузки, а дисперсные частицы создают эффективное сопротивление перемещению дислокаций в объеме зерна. Чем больше это сопротивление, тем выше степень упрочнения материала.

Основными структурными параметрами, определяющими эффективность частиц, являются средний свободный промежуток между ними и межчастичное расстояние (расстояние между центрами частиц). Средний свободный промежуток между частицами L_Р  определяется как среднее свободное расстояние между частицами вдоль произвольно проведенной прямой линии в произвольном сечении образца. За межчастичное расстояние d _Р  беспорядочно распределенных частиц принимается радиус наименьшей окружности, проведенной около одной частицы в произвольной плоскости так, что в пределах, ограниченных этой окружностью, расположена вторая частица с вероятностью, равной единице. Эти параметры связаны с диаметром частиц D и объемным содержанием частиц V_Р  следующими уравнениями:

     (1);                                            (2)

Для эффективного дисперсного упрочнения межчастичное расстояние d _Р должно лежать в пределах от 0,01 до 0,3 мкм. При этом многие свойства металлической матрицы, такие как пластичность, электро- и теплопроводность, ударная прочность, должны быть сохранены. Исключение составляют лишь прочность и сопротивление ползучести. Эти требования накладывают ограничения на объемное содержание дисперсной фазы, которое должно быть малым.

Главное преимущество дисперсно-упрочненных композитов состоит не в повышении предела текучести при комнатной температуре или скорости упрочнения, а в способности сохранять высокий уровень предела текучести и соответствующее увеличение сопротивления ползучести в широкой температурной области, вплоть до Т » 0,8Т_пл, где Т_пл - температура плавления металлической матрицы. Эффективность дисперсных фаз в дисперсно-упрочненных композитах связана с их устойчивостью при высоких температурах. Это отличает дисперсно-упрочненные композиты от стареющих сплавов, которые разупрочняются при повышении температуры. Как уже отмечалось, дисперсными фазами в композитах могут быть оксиды, карбиды, силициды, нитриды, бориды, частицы тугоплавких металлов и т. д., которые нерастворимы в матрице и некогерентны с ней. Например, благодаря этим микроструктурным эффектам дисперсно-упрочненные композиты Cu-SiO₂ и Cu-Al₂O₃ сохраняют высокую твердость в широком температурном интервале.  

В табл. 6.1 приведены некоторые системы дисперсно-упрочненных сплавов.

Таблица 6.1

Композитная система		Объемное содержание Vp,%	Диаметр частиц d, мкм
тип	составные компоненты
Металлическая матрица - оксид	W-ThO2 Ni-Al2O3 NiCrAlTi-Y2O3 Cu-SiO2 Cu-Al2O3 Ag- Al2O3	0,03 0,1 0,02 0,1 0,08 0,1	0,01 0,12 0,015 0,08 0,05 0,05
Металлическая матрица-карбид	Ni-TiC	0,05	0,03
Металл-металл	Cu-W Ag-W	0,05 0,08	0,015 0,015

Дисперсно-упрочненные композиты с более высокими температурами плавления и хорошей коррозионной стойкостью используются в качестве жаропрочных и жаростойких материалов. Сплавы на основе серебра и меди, а также вольфрам с добавками ThO₂ обладают хорошей электро- и теплопроводностью и применяются в качестве электрических проводов и контактных материалов. Повышение жаропрочности обычных суперсплавов в результате добавления мелкодисперсных фаз является наиболее важным результатом исследований дисперсно-упрочненных композитов.

Композиты, армированные частицами

Важное назначение матричной фазы в композитных материалах, армированных частицами, состоит в передаче нагрузки армирующим частицам. Приложенная нагрузка в таких композитах распределяется между металлической матрицей и частицами. Объемное содержание второй фазы V_Р превышает 0,25, а диаметр частиц и средний свободный промежуток между частицами в матрице составляет ~1 мкм. Таким образом, армированные частицами композиты занимают промежуточное положение между дисперсно-упрочненными материалами и материалами, армированными волокнами.

Характер деформации композитов, армированных частицами, за пределами упругой области зависит от того, подвергаются ли частицы пластической деформации перед разрушением или нет. При действии приложенного напряжения твердые частицы препятствуют деформации более пластичной матрицы. Если напряжение в частицах превышает напряжение течения матрицы (обычно, примерно в 3-3,5 раза), то разрушение композита начинается с появления трещин в частицах, затем оно распространяется по матрице. Такое поведение характерно для композитов, содержащих недеформируемые твердые дисперсные частицы карбидов, и керметов, содержащих оксиды.

Примерами отечественных КМ армированных частицами являются ВДУ—1, ВДУ—2 и ВДУ—3. Матрицей в ВДУ—1 и ВДУ—2 является никель, дисперсными упрочнителями частицы оксидов тория и гафния с содержанием частиц до 5% (об.). Зарубежным аналогом ВДУ-1 является КМ ТД-никель, в котором никель упрочнен мелкодисперсным диоксидом тория ThO₂ в количестве 2-4%.

В ВДУ—3 матрицей служит сплав никель—хром, упрочнителем—диоксид гафния. Сплавы и полуфабрикаты из них (в основном прутки и листы) готовят методами порошковой металлургии. По прочности при комнатной и средних температурах композиты,  армированные частицами, уступают классическим дисперсионно-твердеющим никелевым сплавам. Однако, при высоких температурах имеют преимущество по характеристикам жаропрочности (табл 6.2.).

Таблица 6.2 - Длительная прочность КМ армированных частицами и стареющих никелевых сплавов

Материал	Полуфабрикат	s 100, МПа, при t, °С
		900	1000	1100	1200
Композит: ВДУ-1 ВДУ-1 ВДУ-2 Сплавы: ЖС6-К ЭП220 ЭИ868	Пруток Лист ”   Пруток ” Лист	150 120 95   320 280 50	125 100 75   150 105 30	105 80 55   50 25 15	75 60 35   - - -

Композиты, армированные частицами, типа ВДУ, применяются при 1100-1200°С.

Промышленное применение находят КМ на основе вольфрама, армированные частицами ThO₂ и ТаС. Максимальную жаропрочность имеет вольфрам с добавками 2% ThO₂, s ₁₀₀¹⁸⁰⁰=20 МПа. Оксидные упрочнители существенно повышают теплоэрозионную стойкость сопел из спеченного вольфрама. Для увеличения пластичности в вольфрам армированные частицами вводят рений в количестве 3-5%.

Для конструкций летательных аппаратов представляют интерес композиты на основе алюминия, упрочненные частицами Аl₂O₃ (типа САП). Свойства САП определяются количеством в нем Al₂O₃.

КМ, армированные дисперсными частицами, получают методами порошковой металлургии. Простейшим вариантом получения однородной смеси порошков является механическое смешение порошка матричного металла с порошком упрочняющей фазы. Окончательное упрочнение достигается на этапе спекания. При спекании происходит процесс дальнейшего уплотнения заготовки и повышения ее прочности. На стадии деформации и термической обработки дисперсно-упрочненных материалов формируется оптимальная структура материала, позволяющая в максимальной мере реализовать жаропрочные свойства дисперсно-упрочненных КМ.

Армированные композиционные материалы

Волокна, используемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства: высокую температуру плавления, малую плотность, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, минимальную растворимость в матрице, высокую химическую стойкость, отсутствие фазовых превращений при рабочих температурах, отсутствие токсичности при изготовлении и эксплуатации. Для армирования алюминиевых сплавов используют стальную, бериллиевую или вольфрамовую проволоку, нитевидные кристаллы оксидов алюминия и магния, карбида кремния и неорганические поликристаллические волокна (углеродные, борные, алюмосиликатные).

Матрица в армированных композициях придает изделию форму и делает материал монолитным. Кроме того, матрица должна обеспечивать прочность и жесткость композиционной системы при действии растягивающей или сжимающей нагрузки.

Композиция алюминий - металлическая проволока

Армирование алюминия и его сплавов стальной проволокой повышает их прочность, увеличивает модуль упругости, сопротивление усталости и расширяет температурный интервал службы материала.

При армировании непрерывными волокнами композиций типа сэндвич, состоящих из чередующихся слоев алюминиевой фольги и волокон, применяют прокатку, горячее прессование, сварку взрывом, диффузионную сварку. Прочность композиционных материалов на основе алюминия армированных стальной проволокой, s _В =1500 МПа при КСU = 0,4-0,6 МДж/м'.

Весьма перспективным материалом является композиция алюминий - бериллиевая проволока, в которой реализуются высокие физико-механические свойства бериллиевой арматуры, и в первую очередь ее низкая плотность и высокая удельная жесткость. Получают композиции с бериллиевой проволокой диффузионной сваркой пакетов из чередующихся слоев бериллиевой проволоки и матричных листов. Из алюминиевых сплавов, армированных стальной и бериллиевой проволокой, изготавливают корпусные детали ракет и топливные баки.

Композиция алюминий - волокна бора

Волокна бора являются наиболее перспективным высокопрочным, армирующим материалом. Волокна бора выгодно отличают сочетание высокой прочности (s _В = 2800-3500 МПа) с высоким значением модуля упругости (390 000-450 000 МПа) при относительно низкой плотности (2,5-2,65 г/см³). Композиционные материалы получают в виде различных полуфабрикатов: лент, прутков, профилей, труб и листов. Для их изготовления применяют методы: непрерывного литья или протягивания волокон через расплав, плазменного напыления, горячего прессования, волочения и прокатки пакетов.

Композиционные материалы алюминия - волокна бора характеризуются сочетанием высоких значений прочности, предела выносливости, модуля упругости с высокой работой разрушения.

Плотность композиций алюминий - волокна бора составляет 2,63-2,65 г/см". Их применяют в самолетостроении для изготовления горизонтальных и вертикальных стабилизаторов, рулей, обшивки крыльев, элементов хвостового оперения, лонжеронов.

Композиция алюминий - углеродные волокна

Сочетание низкой плотности арматуры и матрицы позволяет создать композиционные материалы с высокой удельной прочностью и жесткостью. Недостатком углеродных волокон является их хрупкость и высокая реакционная способность. Композицию алюминий - углерод получают пропиткой углеродных волокон жидким металлом или методами порошковой металлургии. Технологически наиболее просто осуществимо протягивание пучков углеродных волокон через расплав алюминия.

Композит алюминий-углерод применяют в конструкциях топливных баков современных истребителей. Благодаря высокой удельной прочности и жесткости материала масса топливных баков уменьшается на 30 %. Этот материал используют также для изготовления лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей.

Композиция углерод-углерод

Эти жаропрочные композиты  выдерживают температуры до 2500^оС. В качестве армирующего материала используются волокна углерода, ориентированные в трехмерной ортогональной системе. Такая геометрия расположения волокон повышает ударную вязкость (прочность) материала. Плетение армирующей сетки выполняется с применением трикотажных технологий. Для матрицы используется аморфный углерод. Для получения такой матрицы волокна пропитывают термореактивной смолой, затем нагревают в атмосфере инертного газа. Происходит пиролиз смолы, и на поверхности волокон остается аморфный углерод. Многократное повторение этой операции позволяет получить прочный малопористый композит, nt[ybxtcrjt название которого  RCC (reasable carbon-carbon).

Такие композиты применялись в качестве теплоизоляционного покрытия космического челнока «Шатл». Применение RCC позволяет сильно снизить вес и увеличить дальность полета.

 Высокопрочные полимерные композиционные материалы

Среди многообразных видов композитов особое место занимают высокопрочные полимерные композиционные материалы с пределом прочности при растяжении более 750-800 МПа. В рассматриваемых композитах в качестве матрицы служат эпоксидные, эпоксифенолформальдегидные и другие смолы, а наполнителем - стеклоткань, волокна бора, углеродистые, органические и другие материалы. Наиболее распространенными высокопрочными полимерными композитами являются стеклопластики, органопластики. боропластики, карбопластики и др.

Стеклопластики - материалы, матрицей в которых служат эпоксифенолформальдегидная смола, а наполнителем - стеклянные волокна (стеклоткань или стеклонить). В зависимости от взаимной ориентации волокон стеклопластики, так же как и другие композиты, подразделяют на однонаправленные, когда все волокна уложены в одном направлении, а перекрестные - волокна расположены под углом друг к другу. Обычно предельная степень наполнителя для стеклопластиков составляет 65...67 '%. У всех стеклопластиков имеет место анизотропия механических свойств.

Изделия из стеклопластиков имеют плотность 1,95 г/см³, предел прочности при растяжении в осевом направлении 570 МПа, а тангенциальным - 930 МПа; область температур при работе - 130 . . .150^оС, кратковременно-де 250^оС.

Стеклопластики применяют для изготовления лопастей вертолетов, секций крыльев и хвостового оперения самолетов, корпусов ракет и ракетных двигателей, для кузовов автомобилей.

Органопластики - матрицей обычно служит эпоксидная смола, а наполнителем - органическое или синтетическое волокно. Это полимер, наполненный полимером. Основные механические свойства органопластиков: плотность 1,4 г/см³, предел прочности при растяжении вдоль волокон 1480...1760 МПа; органопластики устойчивы при работе до 300^оС и сохраняют достаточно высокие механические свойства при 400-500^оС, хорошо выдерживают ударные нагрузки. Они применяются в авиационной и космической технике, в судостроении, электро- и радиотехнической промышленности, в производстве спорттоваров (лыжи, удилища).

Боропластик- материал, наполнителем в которых являются волокна бора, а связующим - эпоксидная смола ЭДб. Волокна бора обладают наиболее высокими показателями удельной прочности и жесткости из всех металлических волокон. Это композиты, обладающие высокой твердостью, прочностью и жесткостью. Диаметр волокон бора 90...110 мкм. Боропластики могут быть однонаправленными или с перекрестным расположением волокон.

Изделия из боропластика, состоящего из 60% борных волокон диаметром 110 мкм в качестве наполнителя и связующего-20% эпоксидной смолы и 20% алюминия АД-1 (алюминий использован для удержания борных волокон параллельно друг другу) обладают следующими свойствами: плотность 2,1 г/см³, временное сопротивление при растяжении 1030 МПа; при изгибе 1050 МПа, Относительное удлинение 0,68), удельная вязкость 441,5 МДж/м².

Карбопластики (или углепластики) содержат в качестве наполнителя углеродистые волокна (карбоволокно), а матрица - эпоксидная смола. Карбопластики обладают высокой статической и динамической выносливостью, химической стойкостью и малой пластичностью. Карбопластики, состоящие из эпоксидной смолы и углеродного волокна диаметром 5,7 мкм (при степени наполнения 57...63%) имеют плотность 1 ,4 г/см³, s_В=10ЗОМПа, s_И = 1080 МПа, высокую термостойкость и износостойкость, низкий коэффициент трения.

Карбопластики применяют в авиации для изготовления планеров, лонжеронов, тормозов, в автомобилестроении для силовых валов, соединительных тяг, кронштейнов трансмиссий и др.

Учитывая низкую плотность всех рассмотренных полимерных композиционных материалов, при их применении достигается значительное снижение массы деталей и конструкций, повышение их надежности и долговечности. Весьма часто применяют комбинированные композиты, которые содержат два или более различных армирующих элементов (наполнителей). Например, сочетание борных, углеродных и стеклянных волокон с полимерными связующими расширяют диапазон их свойств, т. е. одновременно с высокими значениями прочности эти материалы имеют высокую ударную вязкость и т. д.