Презентация на тему Композиционные материалы

развитии материалов началась с разработки и применения композиционных материалов

(КМ), обладаю-щих таким сочетанием физико-механических свойств, кото-рое недостижимо в традиционных (включая конструкцион-ные) материалах. Для того чтобы разобраться в КМ, прежде всего, необходимо определить, что понимается под этими материалами. Необходимо разделять понятия «композици-онный материал» и «композиционная конструкция». Компо-зиционный материал предназначен для изготовления дета-лей, а композиционная конструкция состоит из готовых дета-лей, сделанных из разнородных материалов. Кроме того, из-за огромного разнообразия и множества КМ трудно в одной дефиниции выделить все признаки, объединяющие компози-зиционный материал и отделяющие его от всех других мате-риалов.

– это гетерогенная систе-ма, состоящая из двух или большего

числа фаз, имеющих различную физико-химическую природу, для которой харак-терно наличие развитых внутренних поверхностей разде-ла, градиентов концентраций и внутренних напряжений.
2. Композиционными называются материалы, образованные объемным сочетанием двух или большего числа химически разнородных компонентов с четкой границей между ними.
3. Композит – это материал с объемным сочетанием раз-нородных по форме и свойствам двух и более материалов (компонентов), с четкой границей раздела, использующий преимущества каждого из компонентов и проявляющий но-вые свойства, обусловленные граничными процессами (Андреева, 2001 г.).

можно представить состоящим из нескольких фаз:
-одной непрерывной фазы

(матрицы)
-и одной или более дисперсных фаз, или состоящих из двух или более непрерывных фаз с возможными дисперсны-ми фазами в каждой непрерывной фазе.
Наполнителем могут служить включения специальных компо-понентов в виде волокон, порошков, стружки или частиц любой иной формы. Матрицей же могут быть металлы и сплавы, по-лимеры и керамические материалы. Успех создания компо-зиционных материалов зависит от обеспечения контролируе-мого физико-химического взаимодействия матрицы и наполни-теля. Для повышения жаростойкости композитов на поверхнос-ти наполнителя создают специальные барьерные слои, пре-пятствующие химическому взаимодействию с матрицей при высоких температурах. Напротив, для сочетания химически ин-дифферентных компонентов стремятся к достижению полного смачивания поверхности наполнителя материалом матриц.

возрастает с каждым днем. Например, в медицине широко применяются

биокомпозиты. В настоящее время разработаны биоактив-ные керамические, жидкокристаллические и стеклокерами-ческие материалы, поверхности которых образуют химичес-кие связи при контакте с костной тканью и способствуют ее росту. Разработан искусственный заменитель человеческой кожи, основой которой является пористый полимер, получен-ный из бычьих коллагеновых волокон, скомбинированных с полисахаридом, который покрыт силиконовым каучуком.

технике получили композиты, арми-рованные высокопрочными и высокомодульными непрерыв-ными волокнами.

К ним относят:
- полимерные композиты на основе термореактивных (эпок-сидных, полиэфирных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), уг-леродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (борнопластики) и другими волокнами;
- металлические композиты на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Cr, армированных борными, углеродными или карбид-кремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;
- композиты на основе углерода, армированного углерод-ными волокнами (углерод-углеродные материалы);
- композиты на основе керамики, армированной углерод-ными, карбидкремниевыми и другими жаропрочными волок-нами

можно отнести металлоплас-ты, металлополимеры, керметы и многие другие, обладаю-щие

комплексом полезных свойств, позволяющих использо-вать их в самых разнообразных областях, вытесняя привыч-ные более дорогостоящие и менее экономичные материалы. Например, замена алюминия углеродэпоксидным композитом в фюзеляже самолетов позволила сократить общие расходы на производство более чем на 30 %.
Композиты на основе углерода (углепластики) сочетают низ-кую плотность с высокой теплопроводностью, химической стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температуры, а также с возрастанием прочности материала при нагреве до 2000 ºС в инертной среде.

основы (матрицы) наиболее широко применяют такие металлы как алюминий

(Al), магний (Mg), титан (Ti), никель (Ni), кобальт (Co).
По структуре и геометрии армирования композиты могут быть представлены в виде
МВКМ - волокнистых (волокно)
ДКМ - дисперсно-упрочненных (порошки)
ЭКМ - псевдо- и эвтектических сплавов ()

и магниевых сплавов в качестве мат-рицы, армированной высокопрочными и

высокомодульными волокнами, позволяет получить легкие конструкционные ма-териалы с повышенными удельной прочностью, жаропроч-ностью и модулем упругости.

получения МВКМ на основе титана. Армирование титана и его

сплавов повышает жесткость и расширяет диапазон рабочих температур интервала до 973-1073 К. Для армирования титановой матрицы применяют металлические проволоки, а также волокна карбидов кремния и бора. Композиты на основе титана с металлическими волокнами получают прокаткой, динамическим горячим прессованием и сваркой взрывом.

методы получения МВКМ на основе никеля и кобальта. Существующие

виды упрочнения промышленных никелевых сплавов (дисперсное твердение, карбидное упрочнение, сложное легирование и термомеханическая обработка) позволяют сохранить их работоспособность только до интервала температур 1223-1323 К. Поэтому важным явилось создание МВКМ никеля, армированных волокнами и способных работать длительное время при более высоких температурах. Применяют следующие упрочнители:
- нитевидные кристаллы («усы»);
- проволоки тугоплавких металлов;
- керамические и углеродные волокна

применяются при низких, высоких и сверхвысоких тем-пературах, в агрессивных

средах, при статических, цикличес-ких ударных, вибрационных и других нагрузках. Наиболее эф-фективно используются в конструкциях, особые условия рабо-ты которых не допускают применения традиционных металли-ческих материалов. Армированием металлов волокнами стре-мятся улучшить свойства матричного металла, чтобы повысить рабочие параметры тех конструкций, в которых до этого ис-пользовали неармированные материалы.

полуфабрикатов дисперсно-упрочненных композитов на основе металлической матрицы (ДКМ):
1.

Приготовление порошковой смеси,
2. Формование
3. Спекание
4. Деформационная обработка
5. Термическая обработка.

получения ДКМ на основе никеля. Цель создания никелевых ДКМ

является повышение жаропрочности и снижение высокотемпературной ползучести никеля и его сплавов. В качестве упрочняющей фазы используют оксиды, так как их стабильность в никеле при высоких температурах выше, чем других тугоплавких соединений. Имеются сведения об изготовлении ДКМ с дисперсными карбидами TiC, TaC. Наиболее широко для упрочнения никеля используют оксиды тория и гафния.
Методы получения никелевых ДКМ: методы порошковой металлургии: 1. Приготовление порошковых смесей - методами водородного восстановления в растворах и химического осаждения из растворов солей с последующим восстановлением. 2. Прессование шихты под давлением 400-600 МПА. 3. Спекание в водороде при температуре 1323-1373 К. 4. Горяча экструзия или горячая прокатка.
5. Волочение. 6. Ротационная ковка. 7. Холодная прокатка.

никелевохромной матрицей, содержащей алюминий, и в более сложнолегированных матрицах

упрочнение дисперсными частицами сочетается с упрочнением интерметаллидными фазами, выделяющимися из твердого раствора при старении. Уровень их механических свойств очень высок.
ДКМ на основе никеля обладают более высокой жаропрочностью, чем матричный материал. Дополнительное повышение жаростойкости ДКМ может быть достигнуто путем нанесения хромоалюминиевых защитных покрытий.
Соединение листов из ДКМ в сложных композитах производится методами диффузионной сварки и высокотемпературной пайки.

получения ДКМ на основе хрома. Обладая рядом таких ценных

свойств, как высокая температура плавления (2158 К), низкая плотность (7,2103 кг/м3), высокий модуль упругости (300 ГПа) и повышенная жаростойкость, хром и его сплавы имеют весьма существенный недостаток, ограничивающий их применение в промышленности, низкотемпературную хрупкость, особенно в рекристаллизованном состоянии. Повышенная хрупкость обусловлена наличием в металле примесей внедрения (азот, углерод, кислород, водород и др.). Дисперсное упрочнение способствует повышению жаропрочности, длительной прочности и снижению температуры вязкохрупкого перехода хрома за счет рафинирующего действия на матрицу дисперсных частиц и более прочной релаксации напряжений под нагрузкой. Эффективными упрочнителями являются тугоплавкие оксиды, поскольку растворимость кислорода в хроме очень мала. Преимущественно используют оксиды магния и тория.

с оксидом хрома с образованием шпинели MgCr2O4, активно поглощает

азот, удаляя эти примеси из хромовой матрицы. Кроме того, для упрочнения хрома используют оксиды ZrO2, HfO2, La3O2, а также нитриды, карбиды, бориды титана, циркония, тантала и других тугоплавких металлов. При введении оксидов в хром достигается не столько повышение жаропрочности, сколько снижение порога хладноломкости. При легировании хрома активными нитридо-, карбидо- и борообразователями (Ti, Ta, Nb, Zr и др.) происходит выделение дисперсных частиц тугоплавких соединений. При этом существенно снижается сегрегация примесей внедрения на границах зерен.

получения ДКМ на основе молибдена. При дисперсном упрочнении молибдена

удается достичь значитель-ного повышения жаропрочности и длительной прочности. В ка-честве упрочнителей используют карбиды, нитриды и оксиды, так как растворимость кислорода, азота и углерода в молибдене очень мала. Степень упрочнения от введения карбидов в молиб-дене возрастает в ряду TiC, NbC, ZrC, HfC.
Повышение температурных пределов применения ДКМ на осно-ве Mo, достигается за счет введения стабильных дисперсных фаз (ZrC, TiC, TiN и др.) в сочетании с твердорастворным упроч-нением. ДКМ получают методами дуговой или плазменно-дуго-вой плавки. Добавки упрочняющих оксидов (ZrO2, ThO2 и др.) вводят в молибден методами механичес-кого смешивания, хими-ческого осаждения и внутреннего окисления. Установлено, что дисперсные частицы ZrO2, вве-денные методом химического осаждения в активный порошок молибдена, оказывают значи-тельное антирекрис-таллизационное влияние при спекании.

получения ДКМ на основе вольфрама. Вольфрам представляет большой интерес

для техники, как основа конструкционных материалов, работающих при температурах выше 2273 К. Дисперсное упрочнение может быть осуществлено карбидами, нитридами и оксидами. Присутствие дисперсных частиц стабилизирует структуру, повышает температуру начала рекристаллизации вольфрама и обеспечивает высокие механические свойства. Наиболее эффективно повышают прочностные свойства вольфрама дисперсные карбиды. Упрочнение карбидами применяют в сочетании с твердорастворным упрочнением за счет легирования рением, ниобием, танталом, молибденом.

вольфрамовые ДКМ с оксидами, в частности, с оксидами тория

алюмо-кремнещелочными присадками. В связи с радиоактивностью тория, ведутся работы по его замене на оксиды гафния, циркония и редкоземельных элементов. Вольфрамовые ДКМ получают методами механического и химического смешивания. При введении оксидов в твердые растворы вольфрама с рением повышаются прочностные характеристики ДКМ при комнатной и умеренных температурах, и растет пластичность. Присутствие в вольфраме оксидов (ThO2, MgO, Al2O3) положительно влияет на его жаропрочность.

получения ДКМ на основе серебра. Для упрочнения серебра используют

оксиды кадмия, алюминия, меди, никеля, олова, индия, свинца, цинка, сурьмы, титана и др. Дисперсно-упрочненные композиты на основе серебра получают методами порошковой металлургии и избирательным внутренним окислением сплавов Ag. Взаимодействие компонентов ДКМ отсутствует вплоть до температуры диссоциации оксида. Оксидами кадмия упрочняют также псевдосплавы серебро-никель. Известны электоконтактные материалы с высокими износо- и жаростойкостью на основе серебра, упрочненные совместно оксидами кадмия, олова, индия, цинка. Получают их путем внутреннего окисления сложнолегированных сплавов серебра. Другой способ получения: несколько различных сплавов серебра размалывают, механически смешивают, прессуют, спекают и избирательно окисляют.

естественный материал, поскольку его структура формируется при направленной кристаллизации

естественным путем, а не в результате искусственного введения арматуры в матрицу. Форма выделяющейся фазы – волокнистая или пластинчатая – зависит от объемной доли упрочнителя. При объемной доле упрочнителя (меньше 32 %) для ЭКМ характерна волокнистая структура, а при большей концентрации – пластинчатая. Поскольку прочность волокон выше прочности пластин, то волокнистое строение предпочтительнее пластинчатого.

зависит от структуры материала, в значительной степени определяемой скоростью

кристаллизации. Например, ударная вязкость ЭКМ Al  AL3Ni при малых скоростях кристаллизации (< 0,6 см/ч), когда образуется пластинчатая микроструктура, имеет более низкие значения, чем у волокнистого материала. Однако даже в этом случае, ударная вязкость составляет 1,1-3,7·105 Дж/м2, что значительно выше ударной вязкости литейных алюминиевых сплавов. Пластинчатая эвтектика Al  CuAl2 при испытаниях на ударную вязкость обнаруживает большую хрупкость, что является существенным недостатком этого материала. Эвтектические композиты на основе Al хорошо свариваются методом диффузионной сварки и, ввиду хорошей высокотемпературной стабильности структуры, сварку можно проводить при температурах 798 К.

расплава эвтектического состава удается создать плоский фронт кристаллизации, то

возникает упрочненная ориентированная микроструктура. Это один из путей формирования нитевидных кристаллов (типа усов) непосредственно в матрице. Такие композиты получены, в частности, из меди и хрома, алюминия и никеля, меди и вольфрама. В последнем случае была достигнута прочность 175 кг/мм2. Металлографические исследования показали, что процесс разрушения в таких композитах начинается с разрушения усов. Это свидетельствует о высокой прочности связи на поверхности раздела нитевидный кристалл – матрица.
Для эвтектического сплава Ni  NbC (11 % об.) средняя прочность волокон – 586 кгс/мм2. Эти же волокна, выделенные путем растворения матрицы, имели прочность 1030 кгс/мм2, что свидетельствует о высоком совершенстве нитевидных кристаллов, формирующихся в процессе направленной кристаллизации эвтектики.

разделить на две группы: хрупкие и пластичные. Хрупкими, например,

являются никелевые пластинчатые ЭКМ с объемной долей упрочнителя 33-35 %. Свойства хрупких ЭКМ, рассчитанные по закону аддитивности, удовлетворительно совпадают с результатами испытаний. К пластичным ЭКМ относятся: волокнистые композиты с невысокой долей упрочнителя (от 3 до 15 %), например, сплавы Ni, Co, упрочненные монокарбидами Ta, Nb, Hf. Высокие механические свойства волокнистых ЭКМ на основе Ni и Co, упрочненные карбидной фазой являются результатом создания композитной структуры, пластинчатая матрица которой армирована высокопрочными нитевидными кристаллами.

из фаз с резко отличным электронным строением, обладают специфическими

физическими свойствами: магнитными, термоэлектрическими, оптическими и др. Наиболее изучены ЭКМ на основе полупроводниковой матрицы – антимонида индия InSb с волокнами проводников FeSb, NiSb, MnSb, CrSb. Матрица в таких композитах обладает электропроводностью 2,2·102 (Ом·см)-1 и существенно отличается от электропроводности волокон (для волокон NiSb – 7·104 (Ом·см)-1). Электросопротивление ЭКМ InSb  NiSb при взаимно-перпендикулярной ориентации волокон, электрического тока и магнитного поля на порядок выше, чем для случая расположения волокон параллельно направлениям тока или магнитного поля.

одна или обе фазы ферромагнитны, обладают высокими магнитными свойствами.

В качестве магнитных материалов, используют ЭКМ, у которых коэрцитивная сила существенно увеличивается за счет создания ориентированной структуры с ферромагнитными волокнами, имеющими поперечный размер близкий к размеру доменов (~ 1мкм). ЭКМ с ферромагнитными матрицей и волокнами, такие как Sm2Co17  Co, V2Co17  Co, m FeSb – Fe, CoSb  Sb характеризуются большой коэрцитивной силой и остаточной индукцией, зависящей от содержания ферромагнитной фазы и др.
Магнитомягкие ЭКМ системы Fe  NbC, Co  NbC, (Fe  Co)  NbC состоят из магнитомягкой матрицы и неферромагнитного упрочнителя. Эти ЭКМ из-за высокой термической стабильности могут работать в условиях высоких температур и напряжений.

сплавы имеют анизотропные электронные, магнитные и другие свойства, что

определяет их применение в электронике. Так, эвтектическую композицию Al  Al3Ni можно использовать как материал для прочных проводников. Взаимосвязь узла между направлением токопроводящих волокон в полупроводниковых эвтектических композициях InSb  Sb, GaSb  Sb, InAs  As с магнитным сопротивлением материалов позволяет использовать эти композиты в бесщеточных коммутаторах, бесконтактных переменных сопротивлениях.