Композиционные материалы на основе металлической матрицы.

Лекция №14

Раздел 6. Конструкционные материалы. Цветные металлы (алюминий, медь) и их сплавы в энергетике. Новые металлические и неметаллические материалы.

Контрольные вопросы к лекции №13

1. Каковы структура и свойства меди и медных сплавов?

2. Каковы области применения медных сплавов?

3. Чем можно объяснить коррозионную стойкость медных сплавов?

 

 

 

1. Общая характеристика композиционных материалов (КМ).

 

1. Общая характеристика композиционных материалов (КМ)

Композиционные материалы (композиты). Без преувеличения можно сказать, что новая эпоха в развитии материалов началась с разработки и применения композиционных материалов (КМ), обладающих таким сочетанием физико-механических свойств, которое недостижимо в традиционных (включая конструкционные) материалах. Для того чтобы разобраться в КМ, прежде всего, необходимо определить, что понимается под этими материалами. Точного и однозначного определения композиционного материала пока не дано. Дело в том, что среди ученых нет единого мнения, что считать композиционным материалом, а что – нет. Необходимо разделять понятия «композиционный материал» и «композиционная конструкция». Композиционный материал предназначен для изготовления деталей, а композиционная конструкция состоит из готовых деталей, сделанных из разнородных материалов. Кроме того, из-за огромного разнообразия и множества КМ трудно в одной дефиниции выделить все признаки, объединяющие композиционный материал и отделяющие его от всех других материалов. Известны такие определения КМ:

1. Композиционный материал – это гетерогенная система, состоящая из двух или большего числа фаз, имеющих различную физико-химическую природу, для которой характерно наличие развитых внутренних поверхностей раздела, градиентов концентраций и внутренних напряжений. 2. Композиционными называются материалы, образованные объемным сочетанием двух или большего числа химически разнородных компонентов с четкой границей между ними. 3. Композит – это материал с объемным сочетанием разнородных по форме и свойствам двух и более материалов (компонентов), с четкой границей раздела, использующий преимущества каждого из компонентов и проявляющий новые свойства, обусловленные граничными процессами (Андреева, 2001 г.).

Некоторые факты из истории. В середине 50-х годов ВВС США решили применить в авиастроении новый класс материалов – композиты на основе новых видов волокон (борных и углеродных) с высокими прочностными и упругими характеристиками. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и ВВС США, фактически, явились кураторами исследовательской и технологических программ в области создания композитов. Это послужило причиной быстрого развития науки о композиционных материалах, или композитах, возникшей на стыке различных областей знаний. В короткие сроки были получены совершенно новые материалы с необходимым комплексом свойств, разработаны технологии их производства и методы их расчета.

По своей структуре композиционный материал можно представить состоящим из нескольких фаз:

-одной непрерывной фазы (матрицы)

-и одной или более дисперсных фаз, или состоящих из двух или более непрерывных фаз с возможными дисперсными фазами в каждой непрерывной фазе.

Любой композиционный материал можно представить как сочетание матрицы и наполнителя. Наполнителем могут служить включения специальных компонентов в виде волокон, порошков, стружки или частиц любой иной формы. Матрицей же могут быть металлы и сплавы, полимеры и керамические материалы. Успех создания композиционных материалов зависит от обеспечения контролируемого физико-химического взаимодействия матрицы и наполнителя. Для повышения жаростойкости композитов на поверхности наполнителя создают специальные барьерные слои, препятствующие химическому взаимодействию с матрицей при высоких температурах. Напротив, для сочетания химически индифферентных компонентов, в первую очередь, стремятся к достижению полного смачивания поверхности наполнителя материалом матриц.

Разнообразие композиционных материалов возрастает с каждым днем. Например, в медицине широко применяются биокомпозиты. В настоящее время разработаны биоактивные керамические, жидкокристаллические и стеклокерамические материалы, поверхности которых образуют химические связи при контакте с костной тканью и способствуют ее росту. Разработан искусственный заменитель человеческой кожи, основой которой является пористый полимер, полученный из бычьих коллагеновых волокон, скомбинированных с полисахаридом, который покрыт силиконовым каучуком.

Широкое применение в технике получили композиты, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят:

- полимерные композиты на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (борнопластики) и другими волокнами; - металлические композиты на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Cr, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; - композиты на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); - композиты на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и другими жаропрочными волокнами

К современным композитам можно отнести металлопласты, металлополимеры, керметы и многие другие, обладающие комплексом полезных свойств, позволяющих использовать их в самых разнообразных областях, вытесняя привычные более дорогостоящие и менее экономичные материалы. Например, замена алюминия углеродэпоксидным композитом в фюзеляже самолетов позволила сократить общие расходы на производство более чем на 30 %.

Композиты на основе углерода (углепластики) сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, химической стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температуры, а также с возрастанием прочности материала при нагреве до 2000 ºС в инертной среде.