Композиционные материалы

       - уплотнение КМ с равномерным распределением волокон в матрице;

       - образование прочной связи между компонентами;

       - ограничение развития химического взаимодействия;

       - предупреждение дробления волокон;

       - простоту и технологичность конструкции и т. д. 

        Металлоком-позиты имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с КМ на основе матриц из полимеров:

       - высокая удельная прочность, жесткость и вязкость разрушения;

       - малая чувствительность к изменениям температуры, влажности и других параметров внешней среды;

       - высокие демпфирующие свойства;

       - высокие электро- и теплопроводность;

       - высокая стойкость против эрозии и коррозии;

       - высокая технологичность при обработке и соединении изделий;

       - хорошая воспроизводимость свойств.

Некоторые свойства металлокомпозитов

       Одним из наиболее распространенных конструкционных металлокомпозитов является бороалюминий. Объемное содержание волокон бора в таких материалах составляет около 50%. Материал такого состава способен выдерживать достаточно высокие нагрузки в течение длительного времени (100 часов —500° C - 400 МПа или 100 часов - 300°C - 600 МПа). 

       Композиты магний—бор отличаются высокими удельными характеристиками прочности и жесткости за счет низкой плотности матрицы (магний). Модуль упругости таких материалов при содержании борных волокон 40-45% составляет 220 ГПа. 

       Композиты алюминий—сталь являются наиболее экономичными, дешевыми и доступными материалами. К числу их достоинств относится высокая технологичность; в то же время эти материалы по своим удельным характеристикам уступают композитам, армированным борными волокнами. Модуль упругости таких материалов составляет примерно НО ГПа, плотность 4800 кг/м3. Стале-алюминий отличается высокой коррозийной стойкостью в различных средах. 

       Композиты с металлическими матрицами имеют повышенные по сравнению с традиционными металлическими материалами циклические характеристики как при растяжении—сжатии, так и при изгибе. В целом характеристики металлокомпозитов в значительной степени определяются технологиями их производства и переработки. Ввиду того, что металлокомпозиты в основном применяются для изготовления ответственных элементов конструкций, необходим тщательный контроль за параметрами технологических процессов при их производстве, а также проведение контрольных экспериментальных исследований свойств полученных изделий.

1.2 Армирующие волокна  композитов

1.2.1 Стекловолокно и его свойства

       Стеклянные волокна являются одним из наиболее распространенных видов армирующих наполнителей, которые используются при производстве композитов.

       Стекловолокна разных марок, несмотря на различия в составе и назначении, обладают общими характерными свойствами. К таким свойствам относятся:

       - высокая прочность при растяжении (отношение прочности к удельному весу); этот показатель стекловолокон имеет более высокие значения, чем у стальной проволоки;

       - тепло и огнестойкость; неорганическая природа стекловолокна препятствует их горению; стекловолокна обладают также высокой температурой плавления, что делает их пригодными для использования в условиях высоких температур;

       - хемостойкость; стекловолокна в большинстве случаев не взаимодействуют с химически активными материалами;

       - биостойкость; СВ устойчивы к воздействию бактерий, грибков, насекомых и прочих представителей живой природы;

       - влагостойкость; стекловолокна не впитывают влагу и не разрушаются под ее воздействием, сохраняют свои прочностные свойства во влажной среде;

       - термические свойства характеризуются низким коэффициентом линейного температурного расширения и высокой теплопроводностью, что позволяет использовать стекло в условиях повышенных температур и применять его, например, при изготовлении теплообменников или в устройствах, предназначенных для диссипации тепла;

       - электрические свойства проявляются в очень низкой электропроводности.

1.2.2 Стеклонаполненные  термопласты и их свойства

       Стеклонаполненные термопласты (СНТП) представляют собой один из наиболее распространенных видов КМ и формируются путем наполнения расплавленного компаунда короткими волокнами. После отверждения расплава образуется материал состоящий из термопластичной матрицы, армированной хаотически ориентированными короткими волокнами. В матрицу дополнительно могут вводиться и другие наполнители: красители, замедлители горения, за-масливатели и др. В качестве матрицы могут использоваться такие материалы, как полипропилен, нейлон, полистирол, полиэтилен высокой плотности и др. Основной армирующий элемент — стекловолокно (что явилось причиной присвоения названия «стеклонаполненные» этому классу материалов), но иногда используют и другие виды волокон: углеродные, арамидные, асбестовые и др. Наполнители, отличные от стекловолокна обычно применяются при необходимости получения материалов с особыми свойствами: электрическими, химическими, теплоизолирующими, механическими и т. п. Иногда наполнители используют для снижения цены материала или в технологических целях. 

       Волокна вводятся в связующее методами, основанными чаще всего на принципе экструзии. Промежуточным этапом создания материала является получение компаунда в виде гранул. Готовый компаунд может непосредственно использоваться для переработки в изделия, либо храниться в течение некоторого времени. В качестве способов изготовления изделий из готового компаунда используют штамповку или горячее формование. Достоинством этих методов является их приспособленность к автоматизированному процессу производства. 

       Теоретические исследования в данном направлении развиты очень слабо, данные в основном получены экспериментальными методами, что ограничивает их общность и предсказательную способность. 

       Одним из основных факторов, влияющих на свойства СНТП, является адгезия компонентов. Увеличение адгезии достигается с помощью добавок, выбор которых зависит от вида компонентов. Эти добавки вводятся в компаунд в виде замасливателей, технология их введения представляет собой фактически один из способов поверхностной обработки волокон. 

       Отмечается, что с ростом диаметра волокон снижается прочность композитов; одновременно это сопровождается улучшением адгезии волокон со связующим и возможностью снижения их содержания в материале. 

       Прочность материалов и модули упругости при различных видах нагружения (растяжение, сжатие, изгиб) обычно растет с увеличением объемного содержания волокон, но скорость роста, начиная с некоторого значения объемного содержания, становится очень малой. Граница, после которой увеличение объемного содержания армирующих элементов становится малоэффективным, обычно лежит в районе 40 % объемного содержания волокон. Ползучесть термопластов с ростом содержания волокон снижается. Для того же характерного значения объемного содержания волокон 40 % для некоторых материалов отмечается практически полное исчезновение ползучести. Рост температуры обычно сопровождается снижением упругих свойств СНТП, увеличением предельной деформации и падением предела прочности. 
 
 

1.2.3 Высокосилекаты, кварц и их свойства

       Данный тип волокон можно отнести к группе «особо чистых» стекловолокон. Термин «особая чистота» характеризует содержание в волокне кремнезема SiO2. К высокосиликатам относят стекловолокна с содержанием кремнезема свыше 95 %, кварцевые волокна содержат не менее 99,95 % кремнезема. Волокна такого типа иногда называют «высокотемпературостойкими», и, в зависимости от их состава, подразделяют на кремнеземные, алюмокремнеземные, алюмосиликатные и кварцевые.

       Высокосиликатные и кварцевые волокна, а также продукты их переработки могут обрабатываться обычными способами, принятыми в текстильной промышленности: резание, получение матов, ровингов, лент, нетканых материалов и тканей. Высокосиликатные и кварцевые волокна отличаются более высокими (по сравнению со стекловолокном) прочностью и гибкостью, что облегчает их переработку. Важным преимуществом является также их совместимость с большинством связующих, применяемых при производстве композитов.

       Высокосиликатные и кварцевые волокнистые материалы имеют одни из наиболее высоких удельных прочностных характеристик среди жаростойких материалов.

       Волокна такого типа обычно не подвержены воздействию кислот. Исключение составляют плавиковая и фосфорная кислота при повышенных температурах. Не рекомендуется подвергать такие волокна воздействию щелочей. Вы-сокосиликаты не плавятся и не испаряются при температурах до 1650 °C, При температуре около 980 ° C эти материалы переходят в кристаллическую форму, что сопровождается возрастанием их жесткости при сохранении физических и изоляционных свойств. Отличительной особенностью высокосиликатов является их способность выдерживать тепловые удары. В частности, практически 1100 ^° C, без явных изменений в структуре материала.

1.2.4 Другие волокна  композитов и их свойства

Борные и карбид-кремниевые волокна

       Волокна на основе бора (Б) и карбида кремния (SiC) появились в результате исследований, задачей которых было снижение массы конструкций из КМ за счет повышения физико-механических свойств используемых материалов. Возможности достаточно широко применяемых и хорошо изученных стеклопластиков ограничены их недостаточной жесткостью, что затрудняет их применение для изготовления основных несущих нагрузку узлов конструкций. 

       Прочностные свойства волокна очень сильно зависят от технологических параметров процесса осаждения. Отклонение скорости осаждения бора от оптимальной как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к снижению прочности. Изменение толщины слоя бора по длине проволоки в реакторе приводит к изменению электрического сопротивления волокна, а следовательно и к изменению скорости осаждения, Для обеспечения постоянства температурного профиля могут использоваться двух- (и более) стадийные схемы подвода тока к волокну. 

       Некоторым недостатком такой технологии является высокая стоимость вольфрама и трихлорида бора. В качестве замены для вольфрамовой проволоки используются более дешевые углеродные волокна. 

       Основными факторами, влияющими на прочностные свойства волокон, являются наличие дефектов в слое бора либо на его внешней и внутренней поверхностях, а также состояние границы «бор—основа» и уровень напряжений, действующих на этой границе. 
 

       Бороуглеродные волокна

       Основная роль вольфрамовой проволоки при производстве борных волокон заключается в том, что она образует токопроводящую основу, на которую осаждается бор. Углеродные волокна могут исполнять эту роль с не меньшим успехом по сравнению с вольфрамовой проволокой. Единственной проблемой при использовании углеродных волокон является способность бора удлиняться в процессе осаждения.

       Прочность волокон существенно зависит от условий осаждения бора на слой пиролитического графита. Реакторы, в которых реализуется данная технология производства борных волокон, имеют дополнительный участок осаждения на углеродную основу пиролитического графита. Непосредственно за этим участком начинается осаждение бора.

       Использование углеродных волокон позволяет за счет их температурных характеристик выдерживать почти постоянный профиль температуры по длине волокна, в отличие от вольфрамовой проволоки, где поддержание требуемого профиля требует определенных технологических ухищрений. Более высокая средняя температура в реакторе для осаждения бора на УВ приводит к повышению производительности реактора примерно на 40 %.

       Бороуглеродные волокна имеют примерно на 10 % меньший модуль упругости по сравнению с боровольфрамовыми волокнами. Для повышения модуля упругости композита в целом может применяться прием увеличения объемной доли волокон в составе материала, но следует учитывать, что это обычно сопровождается снижением поперечной прочности, деформации при разрушении и других механических характеристик. В целом, уровень механических характеристик бороуглеродных волокон достаточно высок, что позволяет использовать их при производстве высоконагруженных ответственных элементов конструкций, например, при изготовлении хвостовых деталей самолетов (F-14, F-15).

Карбид-кремниевые волокна

       Интерес к карбид-кремниевым волокнам появился в связи с необходимостью получения высокопрочных высокомодульных волокон, которые могли бы быть использованы для армирования композитов с металлическими и органическими матрицами. Одним из вариантов решения проблемы стали борные волокна, другим — близкие к ним по своим механическим характеристикам карбид-кремниевые (SiC) волокна. Эти волокна были получены в конце 60-х годов 20 века. Предел прочности таких волокон составлял 2800... 3500 МПа. Исследовались возможности повышения механических характеристик таких волокон за счет модифицирования их бором или смесью титана и бора.