Принципи добору матеріалів для матриці композиційних матеріалів

Трифонова О.М. (Кіровоград)

Анотація: стаття присвячена важливій проблемі методики вивчення технологій виготовлення композиційних матеріалів на різних матрицях. Розкрито загальні технологічні методи виготовлення полімерних та металевих волокнистих і шаруватих композиційних матеріалів - вирощування кристалів наповнювача в матриці безпосередньо в процесі виготовлення деталей.

Ключові слова: композиційні матеріали, наповнювачі, технології, матриці.

Аннотация: статья посвящена важной проблеме методики изучения технологий изготовления композиционных материалов на разных матрицах. Раскрыто общие технологические методы изготовления полимерных и металлических волокнистых и шароватых композиционных материалов, выращивания кристалов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей.

Ключевые слова: композиционные материалы, наполнители, технологии, матрицы.

Постановка проблеми. Композити - багатокомпонентні матеріали, що складаються з полімерної, металевої., вуглецевої, керамічної або іншої основи (матриці), армованої наповнювачами з волокон, ниткоподібних кристалів, тонкодиспeрсних частинок і ін. Шляхом підбору складу та властивостей наповнювача і матриці, їх співвідношення, орієнтації наповнювача можна отримати матеріали з необхідним поєднанням експлуатаційних і технологічних властивостей. Використання в одному матеріалі декількох матриць (поліматричні композиційні матеріали) чи наповнювачів різної природи (гібридні композиційні матеріали) значно розширює можливості регулювання властивостей композиційних матеріалів. Армуючі наповнювачі сприймають основну частку навантаження композиційних матеріалів. Такі матеріали широко використовуються у виробництві, побуті. Відповідно є необхідність ознайомити студентів із їх властивостями та будовою.

Аналіз останніх досягнень. Галузь створення композиційних матеріалів є актуальною так як безпосередньо пов’язана із нанотехнологіями. Методика навчання студентів є важливою складовою формування фахівця даної галузі. Значних досягнень набули роботи В.С.Копаня, В.В.Васильєва, Ю.М.Тарнопольського, Р.Ролінгса та інших. Проте з методики навчання студентів новітніх технологій робіт мало.

Виклад основного матеріалу. В ході вивчення навчальних дисциплін, які у тій чи іншій мірі зв’язані із вивченням будови та структури речовин доцільно звернути увагу студентів на деякі особливості, зокрема на структуру наповнювача. За структурою наповнювача композиційні матеріали поділяють на:

 - волокнисті, що армовані волокнами і ниткоподібними кристалами;

 - шаруваті, які виготовлені на основі армованих плівок, платівок, шаруватих наповнювачів;

 - дисперсноарміровані, або дисперсно-зміцнені з наповнювачем у вигляді тонкодисперсних частинок.

Основа або матриця в таких композиційних матеріалах призначена для забезпечення монолітності матеріалу, ефективну передачу і зважений розподіл напруги в наповнювачах. Вона визначає теплову, вологу, вогневу, хімічну стійкість.

В ході виробничої та дослідної практики з’ясувалося, що за природою матричні матеріали поділяються на полімерні, металеві, вуглецеві, керамічні та ін. композити.

Металева матриця копмпозиційних матеріалі являє собою металевий матеріал, найчастіше Al, Mg, Ni і їх сплави. Зміцнення забезпечується високоміцними волокнами матеріалами чи тонко дисперсними тугоплавкими частинками. Вони не розчиняються в основному металі, а тому називаються дисперсно зміцненими. Металева матриця пов'язує дисперсні частинки в єдине ціле.

Неметалеві матриці будуються на основі полімерних, вуглецевих та керамічних матеріалів. Найбільш поширеними є полімерні матеріали епоксидні, фенолоформальдегідні і поліамідні.

Досить поширеними є вугільні матриці. Останнім часом використовуються коксовані або піровуглецеві матриці виготовлені на основі синтетичних полімерів, підданих піролізу. Такі матриці пов'язують композицію, надають їй відповідної форми, де зміцнювачами слугують скляні, вуглецеві, борні, органічні, на основі ниткоподібних кристалів волокна. Використовується також металевий дріт, що володіє високою міцністю і жорсткістю.

За механізмом армуючої дії композиційні матеріали з волокнистими наповнювачами ділять на дискретні та неперервні. У перших волокна розміщені хаотично, а відношення довжини волокна до діаметру (від часток до сотень мікрометрів) відносно невелика. Чим більше відношення довжини до діаметра волокна, тим вище ступінь зміцнення.

Нині є поширеними композиційний матеріал з шаруватою структурою. У таких структурах кожен шар армований великим числом паралельних безперервних волокон. Шари можна виготовляти у вигляді витканої тканини з вихідною формою по ширині та довжині відповідно до кінцевого матеріалу. Волокна можна сплітати в тривимірні структури чим покращується міцність.

Важливо підкреслити, що композиційні матеріали різняться від звичайних сплавів за такими параметрами:

         - більш високими значеннями тимчасового опору;

         - високою межею витривалості;

         - модулем пружності;

         - коефіцієнтом жорсткості;

         - зниженою схильністю до утворення тріщин.

         Застосування вказаних вище технологій виготовлення композиційних матеріалів підвищує жорсткість конструкції та зниження їх металоємності. Міцність визначається властивостями волокон у матриці, де перерозподіляються напруги між армуючими елементами. Варто підкреслити, що міцність і модуль пружності волокон повинні бути значно більше, ніж міцність і модуль пружності матриці.

         Зміцнення алюмінію, магнію та їх сплавів відбувається із застосуванням борних волокон, волокон з тугоплавких сполук карбідів, нітридів, боридів та оксидів. Цим самим забезпечується висока міцність і модуль пружності.

         Титан і його сплави армують молібденовим дротом, волокнами сапфіру, карбідом кремнію і борідом титану.

         Жароміцність нікелевих сплавів досягається армуванням вольфрамової чи молібденової дротом. Металеві волокна використовують і в тих випадках, коли потрібні високі теплопровідність і електропровідність.

         Поширеними матеріалами для високоміцних і високомодульних волокнистих композиційних матеріалів є ниткоподібні кристали з оксиду і нітриду алюмінію, карбіду і нітриду кремнію, карбіду бору та ін.

         Таким чином композиційні матеріали на металевій основі мають високу міцність і жароміцністю. Одночасно вони малопластичні. Волокна в таких матеріалах зменшують швидкість поширення тріщин і практично повністю припиняють раптове крихке руйнування. Особливою властивістю волокнистих одноосьових композиційних матеріалів є анізотропія механічних властивостей вздовж і впоперек волокон та мала чутливість до концентраторів напруги. Анізотропія властивостей волокнистих композиційних матеріалів враховується при конструюванні деталей для оптимізації властивостей шляхом узгодження поля опору з полями напруги [1]. Матриця може передавати напруги волокнам тільки тоді, коли існує міцний зв'язок на поверхні розділу армуюче волокно - матриця. Для запобігання контакту між волокнами матриця повинна цілком оточувати всі волокна, що досягається при вмісті її не менш 15-20%. Матриця і волокно не повинні між собою взаємодіяти (має бути відсутня взаємна дифузія) при виготовленні та експлуатації, так як це може призвести до зниження міцності композиційного матеріалу. Армування алюмінієвих, магнієвих і титанових сплавів безперервними тугоплавкими волокнами бору, карбіду кремнію, борида титану та оксиду алюмінію значно підвищує жароміцність. Особливістю композиційних матеріалів є мала швидкість разупрочнения в часі з підвищенням температури [2].

         Найбільш важливим недоліком композиційних матеріалів з одно і двовимірним армуванням є низький опір міжшарового контакту і поперечному обриву. Цього позбавлені матеріали з об'ємним армуванням.

На відміну від волокнистих композиційних матеріалів у дисперсно-зміцнених композиційних матеріалах матриця є основним елементом, що несе навантаження, а дисперсні частинки гальмують рух в ній дислокацій.

Висока міцність досягається при розмірі частинок 10-500 нм при середній відстані між ними 100-500 нм і рівномірному розподілі їх в матриці. Міцність і жароміцність в залежності від об'ємного вмісту зміцнюючих фаз не підпорядковуються закону адитивності. Оптимальний зміст другої фази для різних металів неоднаково, але звичайно не перевищує 5-10 %. Використання як зміцнюючих фаз стабільних тугоплавких сполук оксиди торію, гафнію, ітрію, складні сполуки оксидів і рідкоземельних металів, які не розчиняються в матричному металі, дозволяє зберегти високу міцність матеріалу. У зв'язку з цим такі матеріали найчастіше застосовують як жароміцні. Дисперсно-зміцнені композиційні матеріали можуть бути отримані на основі більшості застосовуваних в техніці металів і сплавів. Найбільш широко використовують сплави на основі алюмінію - САП (спечений алюмінієвий порошок) [4].

         Крім фізико-хімічних властивостей компонентів композиційних матеріалів їх властивості ще залежать і від міцності зв'язку між ними. Якщо між матрицею і арматурою відбувається утворення твердих розчинів або хімічних сполук, то досягається максимальна міцність.

         Коли використовується нуль-мірний наповнювач, то доцільно використовувати металеву матрицю. Рисунок на металевій основі зміцнюється рівномірно розподіленими дисперсними частками, які володіють ізотропною властивостю.

         У таких матеріалах матриця сприймає все навантаження, а дисперсні частинки наповнювача перешкоджають розвитку пластичної деформації. Ефективне зміцнення досягається при вмісті 5-10% частинок наповнювача.

Армуючими наповнювачами служать частки тугоплавких оксидів, нітридів, боридів, карбідів.

         Дисперсійно зміцнені композиційні матеріали отримують методами порошкової металургії або вводять частинки армирующего порошку в рідкий розплав металу або сплаву.

         Промислове застосування знайшли композиційні матеріали на основі алюмінію, зміцнені частками оксиду алюмінію А12О3. Їх отримують пресуванням алюмінієвої пудри з подальшим спіканням САП. Переваги САП проявляються при температурах вище 300 ° С, коли алюмінієві сплави разупрочняется. Дисперсійно зміцнені сплави зберігають ефект зміцнення до температури 0,8тпл. [5].

         Сплави САП задовільно деформуються, легко обробляються різанням, зварюються аргонодуговой і контактним зварюванням. З САП випускають напівфабрикати у вигляді листів, профілів, труб, фольги. З них виготовляють лопатки компресорів, вентиляторів і турбін, поршневі штоки.

         Властивості композиційних матеріалів залежать від складу компонентів, їх поєднання, співвідношення і міцності зв'язку між ними.     Армуючі матеріали можуть бути у вигляді волокон, джгутів, ниток, стрічок, багатошарових тканин. Зміст упрочнителя в орієнтованих матеріалах складає 60-80%, В неорієнтованих (з дискретними волокнами і ниткоподібними кристалами) 20-30%. Чим вище міцність і модуль пружності волокон, тим вище міцність і жорсткість композиційного матеріалу. Властивості матриці визначають міцність композиції при зсуві і стиску і опір втомного руйнування. У шаруватих матеріалах волокна, нитки, стрічки, просочені сполучною, укладаються паралельно один одному в площині укладання. Плоскі шари збираються в пластини. Властивості виходять анізотропними. Для роботи матеріалу у виробі важливо враховувати напрям діючих навантажень. Можна створити матеріали як з ізотропними, так і з анізотропними властивостями. Можна укладати волокна під різними кутами, варіюючи властивості композиційних матеріалів. Від порядку укладання шарів по товщині пакета залежать згинні і крутильні жорсткості матеріалу. Застосовується укладання зміцнювачів з трьох, чотирьох і більше ниток. Найбільше застосування має структура з трьох взаємно перпендикулярних ниток. Зміцнювачі можуть розташовуватися в осьовому, радіальному та окружному напрямках. Тривимірні матеріали можуть бути будь-якої товщини у вигляді блоків, циліндрів. Об'ємні тканини збільшують міцність на відрив і опір зрушенню в порівнянні з шаруватими. Система з чотирьох ниток будується шляхом розкладання зміцнювача по діагоналях куба. Структура з чотирьох ниток рівноважна, має підвищену жорсткість при зсуві в головних площинах. Проте створення матеріалів із зміцнювачами у чотирьох напрямках складніше, ніж трьохнаправленних.

         Найбільше застосування в будівництві та техніці отримали композиційні матеріали, армовані високоміцними і високомодульних безперервними волокнами. До них відносять: полімерні композиційні матеріали на основі термореактивних (епоксидних, поліефірних, феноло-формальдегідних, поліамідних тощо) і термопластичних сполучних, армованих скляними (склопластики), вуглецевими (вуглепластики), органічними (органопластікі), борними (боропластікі) та ін . волокнами; металеві композиційні матеріали на основі сплавів Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сr, армованих борними, вуглецевими або карбідкремнійовими волокнами, а також сталевий, молібденової або вольфрамової дротом; композиційні матеріали на основі вуглецю, армованого вуглецевими волокнами (вуглець- вуглецеві матеріали); композиційні матеріали на основі кераміки, армованої вуглецевими, карбідокремніевими та ін жаростійкими волокнами і SiC. При використанні вуглецевих, скляних, амідних і борних волокон, що містяться в матеріалі в кількості 50-70%, створені композиції з питомою міцністю і модулем пружності в 2-5 разів більшими, ніж у звичайних конструкційних матеріалів і сплавів. Крім того, волокнисті композиційні матеріали перевершують метали і сплави по втомної міцності, термостійкості, вібростійкості, шумопоглинанню, ударної в'язкості та іншими властивостями. Так, армування сплавів Аl волокнами бору значно покращує їх механічні характеристики і дозволяє підвищити температуру експлуатації сплаву з 250-300 до 450-500 ° С. Армування дротом з W і Мо і волокнами тугоплавких сполук використовують при створенні жароміцних композиційних матеріалів на основі Ni, Cr, Co, Ti і їх сплавів. Так, жароміцні сплави Ni, армовані волокнами, можуть працювати при 1300-1350 ° С. При виготовленні металевих волокнистих композиційних матеріалів нанесення металевої матриці на наповнювач здійснюють в основному з розплаву матеріалу матриці, електрохімічним осадженням або напиленням. Формування виробів проводять головним чином методом просочування каркаса з армуючих волокон розплавом металу під тиском до 10 МПа або з'єднанням фольги (матричного матеріалу) з армуючими волокнами із застосуванням прокатки, пресування, екструзії при нагріванні до температури плавлення матеріалу матриці.

         Один із загальних технологічних методів виготовлення полімерних та металевих волокнистих і шаруватих композиційних матеріалів - вирощування кристалів наповнювача в матриці безпосередньо в процесі виготовлення деталей. Такий метод застосовують, наприклад при створенні евтектичних жароміцних сплавів на основі Ni і Со. Легування розплавів карбідним і інтерметалічними сполуками, що утворюють при охолодженні в контрольованих умовах волокнисті або пластинчасті кристали, призводить до зміцнення сплавів і дозволяє підвищити температуру їх експлуатації на 60-80 o С. Композиційні матеріали на основі вуглецю поєднують низьку щільність з високою теплопровідністю, хімічною стійкістю, постійністю розмірів при різких перепадах температур, а також зі зростанням міцності та модуля пружності при нагріванні до 2000 ° С в інертному середовищі. Високоміцні композиційні матеріали на основі кераміки отримують при армуванні волокнистими наповнювачами, а також металевими і керамічними дисперсними частинками. Армування безперервними волокнами SiC дозволяє отримувати композиційні матеріали, що характеризуються підвищеною в'язкістю, міцністю на вигин і високою стійкістю до окислення при високих температурах. Однак армування кераміки волокнами не завжди призводить до значного підвищення її міцнісних властивостей через відсутність еластичного стану матеріалу при високому значенні його модуля пружності. Армування дисперсними металевими частинками дозволяє створити кераміко-металічні матеріали (кермети), що володіють підвищеною міцністю, теплопровідністю, стійкістю до теплових ударів. При виготовленні керамічних композиційних матеріалів звичайно застосовують гаряче пресування, пресування з наступним спіканням, шлікерного лиття. Армування матеріалів дисперсними металевими частинками призводить до різкого підвищення міцності внаслідок створення бар'єрів на шляху руху дислокацій. Таке армування застосовують при створенні жароміцних хромонікелевих сплавів.

         Застосування композиційних матеріалів забезпечує новий якісний стрибок у збільшенні потужності двигунів, енергетичних і транспортних установок, зменшенні маси машин і приладів. Композиційні матеріали з неметалевої матрицею, а саме полімерні карбоволокнити використовують в судно-і автомобілебудуванні (кузова гоночних машин, шасі, гребні гвинти), з них виготовляють підшипники, панелі опалення, спортивний інвентар, частини ЕОМ. Високомодульні карбоволокнити застосовують для виготовлення деталей авіаційної техніки, апаратури для хімічної промисловості, в рентгенівському устаткуванні і другом. Карбоволокнити з вуглецевої матрицею замінюють різні типи графітів. Вони застосовуються для теплового захисту, дисків авіаційних гальм, хімічно стійкої апаратури. Вироби з бороволокнитів застосовують в авіаційній і космічній техніці (профілі, панелі, ротори і лопатки компресорів, лопаті гвинтів, трансмісійні вали вертольотів і т. д.). Органоволокніти застосовують в якості ізоляційного і конструкційного матеріалу в електро-радіо промисловості, авіаційній техніці і т. д.

Література.

         1.      Горчаков Г.І., Баженов Ю.М. Будівельні матеріали / Г.І. Горчаков, Ю.М. Баженов. - М.: Стройиздат, 1986.

         2.      Будівельні матеріали / Під ред.В.Г. Микульського. - М.: АСВ, 2000.

         3.      Загальний курс будівельних матеріалів / За ред. І.А. Рибьева. - М.: Вища школа, 1987.

         4.      Будівельні матеріали / Під ред.Г.І. Горчакова. - М: Вища школа, 1982.

         5.      Евальд В.В. Будівельні матеріали, їх виготовлення, властивості та випробування / В.В. Евальд. - С-Пб.: Л-М, 14-ое вид., 1933

         6. Трифонова О.М., Садовий М.І, Хомутенко М.В. Застосування ІКТ для дослідження систем з найменшою енергією. //Наукові записки. Кам’янець-Подільський національний університет ім. І.Огієнка, 2013. – С.234-237.

         7. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композиционные материалы. Механика и технология. – М.: Техносфера, 2004. – 408 с.