Композиционные материалы

Композиционные материалы — это искусст­венные материалы, получаемые сочетанием ком­понентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), другим — упрочнители (волокна, частицы). В каче­стве матриц используют полимерные, металли­ческие, керамические и углеродные материалы. Упрочнителями служат волокна — стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, боридов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высо­кой прочностью и жесткостью. При составлении композиции эффективно используются индивиду­альные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотно­шения и прочности связи между ними. Комбини­руя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материа­лы с требуемыми значениями прочности, жаро­прочности, модуля упругости или получать ком­позиции с необходимыми специальными свойст­вами, например магнитными и т. п.

Содержание упрочнителя в композиционных материалах составляет 20-80% по объему. Свойства матрицы определяют прочность компо­зиционного материала при сжатии и сдвиге. Свойства упрочнителя определяют прочность и жесткость композиционного материала.

Композиционные материалы имеют высокую прочность, жесткость, жаропрочность и термиче­скую стабильность. Так, для карбоволокнитов ов=650—1700 МПа, а для бороволокнитов ав— = 900—1750 МПа. Плотность композиционных материалов 1,35—4,8 г/см³. Композиционные ма­териалы являются весьма перспективными кон­струкционными материалами для многих отрас­лей машиностроения.

Карбоволокниты (углепласты) — это композиции из полимерной матрицы и упрочнителей в виде углеродных волокон. Для полимер­ной матрицы используются полиимиды, эпоксид­ные и фенолоформальдегидные смолы. Карбово­локниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидов можно применять при температуре до 300°С. Они водо- и химостойки. Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные во­локна, что удешевляет материал. Карбоволокниты используют в химической, судостроительной и авиационной промышленности.

При обработке обычных полимерных карбоволокнитов в инертной или восстановительной атмосфере получают графитированные карбово­локниты или карбоволокниты на углеродной мат­рице. Так, карбоболокнит на углеродной матри­це типа КУП-ВМ по прочности и ударной вязко­сти в 5—10 раз превосходит специальные графи­ты. При нагреве в инертной атмосфере он сохра­няет прочность до 2200°С. Карбоволокниты с уг­леродной матрицей широко применяют при из­готовлении химической аппаратуры.

Бороволокниты— это композиции из по­лимерного связующего и упрочнителя — борных волокон. Для получения бороволокнитов приме­няют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты имеют вы­сокую прочность при сжатии, сдвиге, высокую твердость, тепло- и электропроводность. Борово­локниты водо- и химостойки. Изделия из боро­волокнитов применяют в космической и авиаци­онной технике (лопатки и роторы компрессоров, лопасти винтов вертолетов и т. д.).

Органоволокниты — это композиции из полимерного связующего и упрочнителей из син­тетических волокон. Упрочнителями служат эла­стичные волокна лавсан, капрон, нитрон и др. Связующими служат полиимиды, эпоксидные и фенолоформальдегидныё смолы. Органоволокниты имеют малую плотность, сравнительно высо­кую удельную прочность и высокую ударную вязкость. Органоволокниты применяют в авиа­ционной технике, электропромышленности, хими­ческом машиностроении и др.

Металлы, армированные волокнами, — композиционные материалы с металлической матрицей и упрочнителями в виде волокон. Упрочнителями служат волокна бора, углеродные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений, вольфрамовая или стальная проволока. Матричный материал выбирают из учета назначения композиционного материала (коррозионная стойкость, сопротивление окисле­нию и др.). В качестве, матриц используют легкие и пластичные металлы (алюминий, магний) и их сплавы. Количество упрочнителя составляет по объему 30—50%. Металлы, армированные во­локнами, применяются в авиационной и ракет­ной технике.

Использование композиционных материалов требует в ряде случаев создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов машин.