ВВЕДЕНИЕ

Развитие науки происходит путем чередования стадий постепенного накопления знаний и революционных переворотов. В химии и физике такой переворот произошел во второй половине 19 - начале 20 века в связи с развитием атомных представлений. В науке о материалах он произошел в 1960-1970 годах. В западной литературе этот переворот получил название «революция материаловедения».

Процесс создания новых материалов является технологическим фундаментом, на котором основаны инновации во всех отраслях техники. Это, в первую очередь, высокоэффективные композиционные и керамические материалы, высокопрочные полимеры, аморфные металлы и высокотемпературные сплавы.

Конструктор должен представлять свойства новых материалов и их потенциальные возможности. Если использовать замену металлической детали на деталь, например, из полимерного композиционного материала (композита), то эта замена сопровождается изменением ее конструкции с целью максимального использования потенциальных преимуществ нового материала. Однако изделия из композитов (армированных пластиков, стеклопластиков, волокнистых и дисперсно- упрочненных композиционных материалов на полимерной матрице) конструируются принципиально иначе, чем изделия из традиционных металлов и их сплавов. Конструктор должен уметь сравнивать и точно оценивать свойства конкурирующих материалов. Для этого необходимо знание основных свойств материалов, зависимости этих свойств от процесса обработки, способов формования, соединения и отделки материалов.

Условия работы современных машин и приборов выдвигают требования по прочностным характеристикам и стойкости материалов в широких интервалах температур от минус 269°С в среде сжиженного гелия до 1000°С и выше при динамических нагрузках, в вакууме и горячих потоках активных газов. Решение важнейших задач, связанных с экономным расходованием материалов, уменьшением массы машин и приборов, во многом зависит от внедрения новых материалов, которые создаются с целью получения заданных эксплуатационных свойств готовых изделий.

Одним из путей создания новых материалов является способ соединения различных веществ, создание композиционных материалов (КМ).

Композиционный материал (от лат. compositio - составление) - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с границей раздела между ними.

Для КМ характерны следующие признаки:

  • а) состав (природа, количество) и форма материала определяются в соответствии с заданными свойствами КМ;
  • б) материал КМ однороден в макромасштабе - это твердое вещество, но неоднороден в микромасштабе (компоненты КМ различаются по физико-химическим свойствам, между ними существует граница раздела фаз).

Механическое поведение КМ определяется природой и соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях в отличие от однородных металлов повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению прочностных характеристик.

При использовании углеродных, стеклянных и борных волокон, содержащихся в материале в количестве 50-70%, созданы композиции с прочностными характеристиками и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые КМ превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопогло- щению, ударной вязкости и другим свойствам.

Так, армирование сплавов алюминия волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С. Армирование проволокой (из ванадия, молибдена) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе никеля, хрома, кобальта, титана и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы никеля, армированные металлическими волокнами, могут работать при температуре 1300-1350 °С.

Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых композиционных материалов - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, например, при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80 °С.

Композиционные материалы на основе углерода (углепластики) сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, химической стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000°С в инертной среде.

Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами карбида кремния позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости.

Содержание волокон в ориентированных материалах составляет 60-80 об %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) - 20-30 об %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге, сжатии и сопротивление усталостному разрушению. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых композиционных материалов - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, например, при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80 °С.

К КМ 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.

В отличие от волокнистых КМ в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.

Высокая прочность КМ достигается при размере частиц 10-500 нм при содержании порошков металлов 5-10 об %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия - САП (спеченный алюминиевый порошок).

Армирование материалов дисперсными металлическими частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование в основном применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с последующей переработкой слитков в изделия. Армирование дисперсными металлическими частицами позволяет создать керамико-металлические материалы (керметы), обладающие повышенной прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам.

Широкое применение находят КМ, имеющие сэндвичевые конструкции. Эта особая форма конструкции состоит из двух прочных облицовочных пластин - обшивок и толстой легкой сердцевиной (соты) - заполнителя, распределяющего нагрузку между ними, а также адгезионных слоев, связывающих нагрузку от заполнителя к облицовкам и обратно.

Впервые сотовые конструкции были использованы в 1820 г. для облегчения массы несущих конструкций, а промышленное применение началось в 30-х годах 20 столетия.

КМ отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости, модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещино- образованию. Применение КМ повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

К композиционным материалам можно отнести энергонасыщенные конденсированные системы: пороха, пиротехнические составы, твердые топлива, которые следует рассматривать как наполненные полимеры, многокомпонентные системы, для которых очень важным являются процессы, проходящие на границе раздела фаз. Физико- химия поверхностных явлений также актуальна для данных энергетических систем при разработке рецептур, технологии изготовления изделий на их основе с высокими прочностными характеристиками, а также при изучении закономерностей, связанных с увеличением прочности крепления топлив к корпусу заряда.

Знание закономерностей формирования механических и других свойств КМ позволяет рационально использовать существующие и создавать новые композиции с заданными характеристиками.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >