Материаловедение





Композиционные конструкционные материалы




Композиционные материалы представляют собой объемное сочетание двух или нескольких химически разнородных материалов с четкой границей раздела между этими компонентами (фазами) и характеризуются свойствами, которых не имеют составляющие его компоненты в отдельности.

Композицию получают путем введения в основной материал (матрицу) определенного количества другого материала (наполнителя), который добавляется с целью получения специальных свойств (Рисунок 1). Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Размеры частиц, входящих компонентов могут колебаться от сотых долей микрометра до нескольких миллиметров.

композитные конструкционные материалы

Физико-механические свойства композиционных материалов в зависимости от концентрации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии изготовления могут изменяться в широких пределах. В результате этого открывается возможность конструирования материалов с заданными свойствами.

В зависимости от материала матрицы композиционные материалы можно разделить на следующие основные группы:
композиции с металлической матрицей – металлические композиционные материалы;
с полимерной матрицей – полимерные композиционные материалы;
с резиновой матрицей – резиновые композиционные материалы;
с керамической матрицей – керамические композиционные материалы.

По типу арматуры и ее ориентации композиционные материалы подразделяют на две основные группы: изотропные и анизотропные.

Изотропные композиционные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях. К этой группе относят композиционные материалы с порошкообразными наполнителями.

У анизотропных материалов свойства зависят от направления армирующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слоистые и трехмернонаправленные. В последнее время находят широкое применение так называемые гибридные композиционные материалы, содержащие в своем составе три и более компонентов.

По способу получения металлические композиционные материалы делят на литейные и деформируемые, полимерные и резиновые композиционные материалы, на литейные и прессованные.

По назначению композиционные материалы разделяют на общеконструкционные, термостойкие, пористые, фрикционные и антифрикционные.

В качестве материалов матриц для изготовления металлических конструкционных материалов применяют:

  • легкие металлы и сплавы на основе алюминия и магния;
  • сплавы на основе титана, меди;
  • жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля и кобальта;
  • тугоплавкие сплавы на основе вольфрама, молибдена и ниобия.

Для армирования композиционных материалов с металлической матрицей используют высокопрочные волокна углерода, бора, карбида кремния и вольфрама, оксидов алюминия и циркония, проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов, а также нитевидные кристаллы.



Волокна углерода и бора используют обычно для армирования легких сплавов на основе алюминия и магния. Изделия из таких композиционных материалов характеризуются высокой прочностью и жесткостью и могут длительно эксплуатироваться при температурах до 300…450 °С.

Волокна карбида кремния и вольфрама предназначены для армирования жаропрочных композиционных материалов на основе никеля и хрома с рабочими температурами до 1100…1300 °С.

Термостойкие и жаропрочные волокна из оксидов алюминия и циркония эффективны для армирования композиционных материалов, работающих при температурах 1400…1600 °С.

Проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов используют для армирования высокопрочных композиционных материалов.

Нитевидные кристаллы таких тугоплавких соединений как карбиды кремния, бора, оксида алюминия и др. используют в качестве армирующего материала для получения жаропрочных и высокопрочных композиционных материалов.

Пример применения композиционных материалов в автостроении показан на приведенном ниже рисунке.

применение композитных конструкционных материалов

***

Неорганические конструкционные материалы