Всего на сайте:
248 тыс. 773 статей

Главная | Химия

Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей  Просмотрен 636

Металлические матрицы по сравнению с полимерными обеспечивают композиционным материалам более высокие механические свойства (прочность и упругость при растяжении поперек волокон, трещиностойкость, прочность на изгиб и сжатие, пластичность). Важно, что они сохраняют эти свойства до более высоких температур эксплуатации. Эти материалы также влагостойки, невоспламеняющиеся, электро- и теплопроводны. Вместе с тем, металлические матрицы намного дороже полимерных.

Важной проблемой является совместимость металла матрицы с волокнами, особенно в случае металлических волокон. Химическое взаимодействие и взаимная диффузия могут вызвать растворение волокон, образование на границах раздела хрупких фаз и, как следствие, ухудшение свойств композиционных материалов.

Наиболее распространенными материалами матрицы являются алюминий, магний, титан и их сплавы, а также никель.

Армирование технического алюминия высокопрочной стальной проволокой (диаметром 0,1…0,2 мм, σв = 3,7ГПа) на порядок увеличивает его прочность, почти вдвое модуль упругости, улучшает усталостную прочность. Использование для матрицы алюминиевых сплавов, упрочняемых закалкой и старением, обеспечивает дополнительное повышение прочности КМ.

Применение борных и углеродных волокон для упрочнения, хотя и увеличивает стоимость КМ, но эффективнее улучшает свойства. Эти композиты сочетают малую плотность, высокие прочность и упругость, технологичность, конструкционную прочность, электро- и теплопроводность. Их механические свойства существенным образом зависят от содержания волокон (табл. 5.1). Предел выносливости этих КМ значительно превышает предел выносливости алюминиевых сплавов и сохраняется высоким до 250 °С.

В качестве примера материала «алюминиевая матрица - органическое волокно» можно привести композит «Алор». Если в алюминии σв ~ 50 МПа, то в таком КМ σв ~ 500…600 МПа, а скорость распространения трещины, по сравнению с А1, снижается более чем в 20 раз. Это обусловлено торможением развития трещины волокнами. Композиционные материалы с алюминиевой матрицей используются в авиакосмической промышленности для деталей с рабочей температурой до 450°С, в частности для деталей газотурбинных двигателей.

Таблица 5.1. Влияние объемного содержания волокон бора на свойства КМ с алюминиевой матрицей (Б.А. Арзамасов)

  Свойства Содержание волокна      
      
σв, ГПа 0,07…0,1 0,3…0,4 0,5…0,7 0,7…0,9 0,9…1,1 1,1…1,4
Е, ГПа 190…200 200…257

 

Титановые КМ армируют волокнами бора, бериллия, карбида кремния. Их механические свойства и рабочая температура выше, чем у алюминиевых КМ. Коэффициент термического расширения титана в три раза меньше, чем у алюминия, и близок к коэффициентам термического расширения волокон бора и карбида кремния. Поэтому в этих композициях возникают меньшие термические напряжения. Вместе с тем, химическая активность титана при высоких температурах приводит к образованию на поверхностях волокон хрупких реакционных зон, что снижает прочность КМ. Композиционные материалы с титановой матрицей можно использовать для изготовления компрессорных лопаток газовых турбин, нагруженных деталей, работающих в агрессивных средах, и т.п.

КМ на никелевой основе превышают по жаропрочности никелевые сплавы, в которых она обеспечивается дисперсионным твердением, карбидным или интерметаллидным упрочнением. Такие КМ сохраняют жаропрочность до 950…1050°С. Еще более высокую жаропрочность имеют КМ на основе никелевых сплавов при их армировании керамическими волокнами и нитевидными кристаллами, углеродными волокнами, вольфрамовой проволокой. Так, армированные вольфрамовой проволокой никелевые КМ выше 1100°С имеют большую удельную и длительную прочность, чем лучшие жаропрочные никелевые сплавы. Из никелевых КМ изготавливают лопатки газовых турбин, детали камер сгорания, теплозащитные экраны.

Предыдущая статья:Волокнистые композиционные материалы с полимерной матрицей Следующая статья:Волокнистые композиционные материалы с керамической матрицей
page speed (0.0168 sec, direct)