materialovedenie2 (Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Колосанов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева, Н.В. Ульянова - Материаловедение), страница 15

13.18. Схемы полимнтричиого (и) и по. лиирмироввииого (б) композиционных мате- риалов Материалы г выгокоа уделыий лрочиоппью 249 МУ нителями. Ъ'прочннтели должны обладать высокими прочностью, твердостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства композиционного материала, хотя онн н не достигают характеристик наполнителя. Наполнители называют еще армирующнми компонентами. Это более широкое понятие, чем «упрочннтель».

Оно не конкретизирует роль наполнителя и поэтому показывает, что наполни- тель вводится в матрицу для изменения не только прочности, но и других свойств. Свойства композиционного материала зависят также от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполннтеля (схемы армирования). По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 13.19, а): нуль-мерные (!), одномерные (2), двумерные (3). Нуль-мерными называют наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы).

Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна) Двумерные наполнители имеют два размера, соизмеримые с размером композиционного материала, значительно превосходящие третий (пластины, ткань). По форме наполнителя композиционные материалы разделяют на лис- Рис. 13. 19. Клвссифващив композиционных материалов по форме наполнителя (а) и схемы ермиро венин (о, е, г) 256 Маогериовы, применпемые в машино- и приборостроении перона-упрочненные и волокнистые. Дисперсно-упрочненными называют композиционные материалы, упрочненные нуль-мерными наполнителями. К волокнистым относят композиционные материалы, упрочненные одномерными или одномерными и двумерными наполнителями. По схеме армирования композиционные материалы подразлеляют на три группы: с одноосным, двухосным и трехосным армированием (см.

рис. 13 19,6 — г).. Для одноосного (линейного) армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (см. рис. 13.19, б). Нульмерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси (например, по оси х) значишльно меньше, чем по двум другим. В этом случае объемное содержание наполнителя составляет 1 — 5 /. Одномерные наполнители располагаются параллельно друг другу. При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль-, одно- и двухмерные наполнители (см.

рис. 13.19,в). Нуль-мерные и одномерные наполнители располагаются в плоскостях, параллельных друг другу. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меныпе, чем между плоскостями. При таком расположении нуль-мерного наполнителя его содержание доходит до 15 — 16;ш Одномерные наполнители расположены также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям под разными углами.

Двумерные наполнители расположены параллельно друг лругу. При трехосном (объемном) армировании нет преимущественного направления в распрелелении наполнителя. Для армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (см. рис. 13.19,г). Расстояние между нуль-мерными наполнителями одного порядка. В этом случае и«объемное содержание может превышать 15 — 16;Г. Одномерные наполнители помещают в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства при армировании композиционных материалов одновременно используют наполни- тели различной формы. Например, для увеличения прочности связи мехогу одномерными наполнителями (стеклянным или углеродным волокном) и полимерной матрицей в нее вводят нуль-мерный наполннтель (частицы асбеста, карбида кремния и др.).

С этой же целью применяют армирование наполнителями одной формы, но разного состава. Так, для повышения модуля упругости композиционных материалов с полимерной матрицей, армированной стеклянным волокном, дополнительно вводят волокна бора. Композиционные материалы, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными (см. рис. 13.18,6). Дисперсно-упри чванные композиционныее материалы. Структура и свойства. В дисперсно-упрочненных композиционных материалах наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз-оксидов, нитридов, боридов, карбидов (А1гОз ййОг ВХ 56С и др.). К достоинствам тугоплавких соединений относятся высокие значения модуля упругости, низкая плотность, пассивность к взаимодействию с материалами матриц, а таких, как оксцды алюминия и кремния,— большая распространенность в природе и невысокая стоимость образующих нх элементов.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы в основном получают методами порошковой металлургии, но существуют и другие методы, например, метод непосредственного ввеления наполнителей в жидкий металл или сплав перед разливкой. В последнем случае для очистки от жировых и других загрязнений, улучшения смачиваемости частиц жилким металлом и равномерного распределения их в матрице Материолы с высокой удемной прочностью 251 применяют ультразвуковую обработку жидкого расплава.

В дисперсно-упрочненных композиционных материалах основную нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы упрочнителя оказывают сопротивление движению дислокаций при нагружении материала, мешают развитию пластической деформации. Чем больше это сопротивление, тем выше прочность. Поэтому прочность зависит также от дислокационной структуры, формирующейся в процессе пластической деформвщии при изготовлении изделий иэ композиционного материала. Кроме того, дисперсные частицы наполнителя оказывают «косвенное» упрочняющее действие, способствующее образованию структуры с большой степенъю неравноосности зерен (волокнистой). Такая структура формируется при сочетании пластической деформации и отжигов.

При этом дисперсные включения частично или полностью препятствуют рекристаллизационным процессам. Уровень прочности зависит от объемного содержания упрочняющей фазы, равномерности ее распределения, степени лисперсности и расстояния между частицами.

Согласно формула Орована, сопротивление сдвигу увеличивается с уменьшением расстояния между частицами: о = ОЬ!1, где 6 — модуль сдвига; Ь вЂ” межатомное расстояние; ! — расстояние между частицами. Большое упрочнение достигается при размере частиц в пределах 0,01-0,1 мкм и расстоянии между ними 0,05 0,5 мкм. Объемное содержание частиц зависит от схемы армирования (см. с. 250). Преимущество дисперсно-упрочпенных композиционных материалов по сравнению с волокнистыми — иэотропнасть свойств.

К дисперсно-упрочпеиным композиционным материалам на алюминиевой основе, нашедшим промышленное применение, относится материал из спеченной шпаминиевой пудры (САП), на никелевой осиовеизвестны композиции, упрочненные частицами оксидов тория, иттрия, гафния и др. Дисперсно-упрочнвнныв компоэиииинные митериалы ни илюмнниевий основе. Материал САП характеризуется высокой прочностью, жаропрочностью, корроз ион ной ст ойкостью и т ермической стабильностью свойств.

САП состоит из алюминия и оксида алюминия. Получают САП путам последовательного брикетирования, спекания и прессования окисленной с поверхности алюминиевой пудры. Исходным материалом при получении пудры служит порошок — пульверизат, который изготовляют распылением расплавленного алюминия Аб (ГОСТ 11069 — 74). Порошок размельчают в шаровых мельницах в атмосфере азота с добавлением 2-3 7,' кислорода и 0,25-1,2;Г стеариновой кислоты. Кислород добавляют для окисления вновь образованных поверхностей пудры, стеарин-для облегчения скольжения и препятствия свариванию частиц пудры.

Частицы пудры имеют форму чешуек толщиной менее 1 мкм. Размер частиц по длине и ширине одного порядка. Он зависит от длительности размола. Толщина оксидной пленки частиц равна 0,0! -0,1 мкм. Чем продолжительнее время размола, тем мельче частицы пудры, больше их общая поверхность и, следовательно, выше содержание окиси алюминия. Например, пудра марки АПС-1 с размером частиц 30-50 мкм содержит 6 — 8/ А!эОэ, а пудра АПС-2, имеющая размер частиц 10 — 15 мкм, — 9 — 12 А1эОз. В СССР освоена технология получения алюминиевой пудры четырех марок и соответствующих им марок САП (табл.

13.3). Структура САП представляет собой алюминиевую основу с равномерно распределенными дисперсными включениями А1,О,. С увеличением содержания А),Оэ повышаются прочность, твер- 252 Мипжриали, прилнилеине л ма[ниии- и прийараопрасяии ТАБЛИЦА 13.3. Механические оизйсэва САП дость, жаропрочиость САП и уменьшается его пластичность (рис. 13.20). Высокая прочность САП объясняется большой дисперсностью оксидной фазы, малым расстоянием между ее частицами. Нерастворимость в алюминии и отсутствие склонности к коагуляции тонкодисперсных частиц А1 Оз обеспечивает стабильность структуры и высокую прочность прн температурах до 500'С. САП хорошо деформируется в горячем состоянии, хуже .в холодном, легко обрабатывается резанием и удовлетворительно сваривается контактной, аргонодуговой сваркой.

В настоящее время в основном применяют САП-1, САП-2 и САП-З, из них производят все виды полуфабрикатов: листы, профили, штамповые заготовки, трубы, фалы у. САП используют для деталей, работаю- ся 6'ы мла р г с р г лба,,д Рве. 13.20. Зависимость механических свойств САП оз содержания А!зОз щих при температуре 300 — 500 С, от которых требуются высокая удельная прочность и корроэионная стойкость (поршневые штоки„лопатки компрессоров, лопасти вентиляторов и турбин в химической и нефтяной промышленности, конденсаторы, обмотки трансформаторов в электротехнике).