Полимерные композиционные материалы. Особенностью является то, что матрицу образуют различные полимеры, служащие связующими для арматуры, которая может быть в виде волокон, ткани, пленок, стеклотекстолита.
Формирование полимерных композиционных материалов осуществляется прессованием, литьем под давлением, экструзией, напылением.
Широкое применение находят смешанные полимерные композиционные материалы, куда входят металлические и полимерные составляющие, которые дополняют друг друга по свойствам. Например, подшипники, работающие в условиях сухого трения, изготовляют из комбинации фторопласта и бронзы, что обеспечивает самосмазываемость и отсутствие ползучести.
Созданы материалы на основе полиэтилена, полистирола с наполнителями в виде асбеста и других волокон, обладающие высокими прочностью и жесткостью.
Композиционные материалы изготавливают двух видов: на металлической и не металлической матрице:
5.1.1. Композиционные материалы с металлической матрицей
Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.
Композиционные материалы с металлической матрицей бывают дисперсионно-упрочненные и волокнистые.
Дисперсно-упрочненные материалы представляют собой композиционные спеченные материалы, содержащие искусственно вводимые в них высокодисперсные, равномерно распределенные частицы фаз, не взаимодействующих с матрицей и не растворяющихся в ней до температуры ее плавления.
Наиболее эффективное упрочение обеспечивается при содержании упрочняющей фазы в количестве 3 - 15%, размере ее частиц до 1мкм и среднем расстоянии между ними 0,1 -0,5 мкм.
Дисперсноупроченные материалы сохраняют микрогетерогенное строение и дислокационную структуру, а следовательно, и работоспособность до (0,9—0,95)Тпл матрицы. Высокая работоспособность дисперсноупроченных материалов при повышенных температурах объясняется тем, что при наличии в матрице второй фазы скольжение дислокаций в зернах металла становится возможным при больших напряжениях, границы зерен блокируются, а рост зерен затормаживается практически до температуры плавления матрицы.
При создании дисперноупроченных материалов выбирают фазу-упрочнитель и способ введения ее в матрицу.
Фаза-упрочнитель должна иметь высокую термодинамическую прочность, малую величину скорости диффузии компонентов фазы в матрицу, высокую чистоту и большую суммарную поверхность частиц. К упрочняющим фазам с такими свойствами относятся оксиды некоторых металлов (чаще всего А12О3, SiО2, TоО2, ZrО2, Cr2О3), карбиды, нитриды и другие соединения.
Способ введения частиц фазы-упрочнителя в матрицу влияет на структуру дисперсно-упрочненного материала, которая может быть дисперсной или агрегатной. Способами введения фазы-упрочнителя и получения смеси является:
- механическое смешивание порошков оксидов металла и упрочняющей фазы с последующим восстановлением оксидов основного металла;
- механическое смешивание порошков металла матрицы и упрочняющей фазы;
- поверхностным окислением порошка основного металла;
- химическое смешивание, предусматривающее совместное осаждение солей и их последующее восстановление с образованием металла и сохранением фазы-упрочнителя;
- внутренним окислением или азотированием порошков.
Первые три метода приводят к образованию агрегатной структуры, а последние два - к дисперсной.
В настоящее время разработаны и применяется целый ряд дисперсно-упрочненных материалов. В различных отраслях техники успешно используются алюминиевые, вольфрамовые, молибденовые, железные, медные, кобальтовые, хромовые, никелевые, бериллиевые, платиновые сплавы.
В алюминиевых сплавах в качестве упрочняющей фазы используется оксид алюминия Аl2Оз, легко образующийся в результате "высокой склонности алюминия к поверхностному окислению и позволяющий получать равномерное распределение его в матрице. Содержание упрочняющей фазы (А120з) обычно находится в пределах 4 - 14%.
Длительная прочность дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов, называемых сплавами САП (спеченные алюминиевый порошок), при повышенных температурах превосходит прочность всех деформируемых алюминиевых сплавов. Все сплавы хорошо обрабатываются, их можно сваривать и паять.
Алюминиевые сплавы применяются в авиационной технике (обшивка гондол силовых установок в зоне выхлопа, жалюзи).
Вольфрамовые сплавы упрочняют обычно оксидами тория (ТпСь) в количестве 0,75-2,0%. Для повышения прочности и пластичности при низких температурах вводят рений в количестве 3—5%.
Дисперсно-упрочненные вольфрамовые сплавы широко используют в ракетно-космической технике.
Молибденовые сплавы упрочняют карбидами, нитридами, оксидами. Карбидное упрочнение дает возможность получить сплавы с высоким пределом прочности при температуре 1400 °С. При температурах выше 1500-1600 °С эти сплавы сильно разупрочняются из-за рекристаллизации.
Упрочнение сплава оксидом тория (Tо) дает высокий эффект даже в рекристализованном состоянии, а легированние вольфрамом и упрочнение карбидом тантала (ТаС) дает возможность получения сплава с высокими механическими свойствами при температурах 1600—2000 °С.
Дисперсно-упрочненные молибденовые сплавы применяются в авиационной технике.
Упрочненные железные сплавы получают введением в железо около 6% А1203. Это обеспечивает хорошие прочностные характеристики сплавов при
температурах 650-950 °С. Более высокие свойства имеют дисперсноупрочненные стали. Так, хромоалюминиевая сталь, упрочненная А12Оз, и сложнолегированная, упрочненная ТЮ2, имеют характеристики при температуре 650 °С почти вдвое выше, чем упрочненные железные сплавы.
Дисперсно-упрочненные стали превосходят литые по длительной прочности. Кроме того, в них снижается эффект охрупчивания под действием облучения. Поэтому они используются в реакторостроении, даже если они не имеют преимуществ перед стандартными материалами по прочности.
Медные упрочненные сплавы получают путем введения оксидов алюминия, бериллия и тория. Для сохранения электропроводности и пластичности содержание оксидов недолжно превышать 1,5-2,0%.
Дисперсно-упрочненная медь обладает высоким сопротивлением ползучести и высокой жаропрочностью, что позволяет использовать ее для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (детали теплообменников, электровакуумных приборов). Медь, содержащая включения тугоплавких соединений, применяется для изготовления электродов точечной и роликовой сварки.
При получении кобальтовых сплавов в качестве, упрочняющей фазы применяют в основном оксид тория (ThCb) с содержанием последнего 2—4%. Так, временное сопротивление кобальтовых сплавов с 2% ТЮ2 составляет 1020 МПа при 25 °С и 140 МПа при 1090 °С.
Для повышения пластичности сплавы кобальта легируют никелем, а для повышения окалиностойкости - хромом.
Никелевые сплавы получают путем упрочнения никеля оксидами тория (Th02) или гафния (НЮ2). Содержание упрочняющей фазы составляет 2-3%.
Дисперсно-упрочненные сплавы никеля очень технологичны. Их можно ковать, штамповать, вытягивать в широком интервале температур. Они обладают хорошей жаростойкостью и используются для изготовления деталей газовых турбин.
При получении дисперсно-упрочненных хромовых сплавов следует иметь ввиду, что хром при комнатной температуре имеет повышенную хрупкость, и температура перехода в пластичное состояние зависит от количества и формы примесей внедрения и размера зерна. Измельчение зерна при введении дисперсной фазы положительно влияет на технологические свойства хрома.
В качестве упрочняющей фазы могут использоваться оксиды тория (Тo2) и оксиды магния (MgO).
Положительно влияют на жаропрочность дисперсно-упрочненного хрома добавки марганца, молибдена, тантала, ниобия.
Дисперсно-упрочненные бериллиевые сплавы получают путем введения оксида бериллия (ВеО), используя склонность к поверхностному окислению промышленных бериллиевых порошков.
Высокое сопротивление текучести достигается при упрочнении сплавов карбидом бериллия (Ве2С). При содержании 2,5% Ве2С величина σт возрастает в 3 раза при 650°С по сравнению с чистым бериллием.
Дисперсно-упрочненные бериллиевые сплавы обладают высокой прочностью, высоким модулем упругости и большим коэффициентом рассеивания нейтронов.
Платиновые сплавы хорошо работают при высоких температурах в окислительной среде. Упрочнение их осуществляется оксидами (ТЮ2) или карбидами (TiC), содержание которых для сохранения пластичности должно быть минимальным.
Дисперсно-упрочненные платиновые сплавы используютсядля
изготовления нагревателей, термопар и термометров сопротивления.
Волокнистые композиционные материалы состоят из матрицы, которая содержит упрочняющие элементы в форме волокон (проволоки) или нитевидных кристаллов.