Эвтектические композиционные материалы

На основе никеля

Композиционные материалы на основе никеля являются жаропрочными материалами. Физико-механические свойства некоторых композиционных материалов приведены в табл. 4.3.

Табл. 4.3. Физико-механические свойства эвтектических композиционных материалов на основе никеля.

Матрица	Упрочнитель	Общая доля, %	tпл,°С	, г/см3	𝜎в, МПа	E ·10-3, МПа	𝜎, %
Волокнистые композиционные материалы
Ni	W	6	1500	–	830	–	45
Ni	NbC	11	1328	8,8	890	–	9,5
Ni-Co-Cu-AL	TaC	9	–	8,8	1650	–	5
Пластинчатые композиционные материалы
Ni	NiBe	38–40	1157	–	918	215	9
Ni	Ni3Nb	26	1270	8,8	745	–	12,4
Ni-Ni3Al	Ni3Nb	–	1270	–	1140	–	2,3
Ni3Al	Ni3Nb	44	1280	8,44	1240	24,2	0,8

Пластинчатые композиции, содержащие объемную долю упроч­няющей фазы более 33–35%, относятся к хрупким. К пластичным относятся композиции на основе никеля с содержанием объемной доли волокон 3–15% из карбидов тантала, ниобия, гафния. Прочность карбидов близка к прочности усов полученных из газовой фазы, и колеблется в пределах 600–1200 МПа.

Процесс деформирования эвтектических композиций никель–карбид (Та, Nb, Hf) сопровождается интенсивным дроблением (фрагментацией) армирующих волокон. Фрагментация охватывает всю рабочую зону и происходит в произвольном сечении. Разрушение волокон тем не менее не приводит к разрушению всей композиции поскольку деформирующаяся и вследствие этого упрочняющаяся матрица воспринимает нагрузку, которую несли разрушающиеся волокна. Разрушение композиции происходит по достижении волокнами (в результате фрагментации) критической длины. Легирование никелевой матрицы (например, Сu, А1 и другими элементами) повышает ее прочность вследствие образования твердого раствора и выделения из него при охлаждении дисперсных частиц. Повышение прочности матрицы в результате ее легирования неизбежно приводит к повышению прочности всей композиции.

 

Рис 4.5. Зависимость 𝜎_в пластинчатой эвтектики Ni₃Al- Ni₃Nb от температуры и скорости кристаллизации

 

Прочность пластинчатых эвтектик возрастает с уменьшением межпластинчатого расстояния, которое в свою очередь зависит от скорости охлаждения композиции (рис. 4.5.). Разрушение хрупких пластинчатых эвтектик происходит вслед за разрушением небольшого числа пластин.

При повышенных температурах пластичность волокнистых эвтектик понижается. С ростом температуры деформационное упрочнение матрицы не происходит и она не способна воспринимать напряжения, появляющиеся в результате фрагментации волокон. Дробление волокон при высоких температурах происходит в узкой области, прилегающей непосредственно к зоне разрушения.

Пределы длительной прочности эвтектических композиционных материалов превосходят пределы длительной прочности современных жаропрочных сплавов при рабочих температурах выше 900°С(Рис 4.6.)

 

Рис. 4.6. Влияние температуры на 100-часовую длительность жаропрочных никелевых сплавов (1 – ЭИ741, 2 – ЭИ437Б, 3 – ЖС6Ф) и эвтектических композиционных материалов (5 – (Ni – Ni₃Al) – Ni₃Nb, 6 – Ni₃Al – Ni₃Nb)

 

Эвтектические композиционные материалы на основе никеля применяют в основном в космической и ракетной технике для изготовления сопловых рабочих лопаток и крепежных деталей, газотурбинных двигателей.

Полимерные матрицы

 

Полимерную матрицу для композиционных материалов выби­рают, учитывая условия эксплуатации изделий. От матрицы зави­сят многие свойства композита, в том числе прочность, тепло- и влагостойкость, стойкость к действию агрессивных сред. В зави­симости от типа полимерной матрицы выбирают и метод получе­ния полимерного композиционного материала.

При производстве полимерных композиционных материалов полимеры в качестве матрицы используют либо в чистом виде (по­рошки, гранулы, листы, пленки), либо в виде связующих. Свя­зующее представляет собой двух- или многокомпонентную систе­му из синтетической смолы и отвердителей или инициаторов, ка­тализаторов, ускорителей отверждения. В связующее могут добав­ляться растворители, красители, пластификаторы, стабилизаторы и другие компоненты. Цель введения этих компонентов заключается в придании связующим и полимерным композиционным материа­лам необходимых технологических и эксплуатационных свойств.

При производстве армированных пластиков наиболее часто применяют следующие связующие: полиэфиры, фенолы, эпоксид­ные компаунды, силиконы, алкиды, полиамиды, фторуглеродные соединения, акрилы, полипропилен, полиэтилен, полистирол. Наибольшее распространение получили термореактивные связую­щие, при нагревании которых происходят необратимые структур­ные и химические превращения.

• Полиэтилен - один из наиболее широко применяемых поли­меров. Промышленностью выпускается полиэтилен низкого давле­ния (ПЭНД) и полиэтилен высокого давления (ПЭВД). Деструкция материала происходит при температуре выше 290 °С. Солнечная радиация ведет к термостарению полиэтилена. Прочность, теплостой­кость и химическая стойкость ПЭНД выше, чем ПЭВД. Газопрони­цаемость, наоборот, выше у ПЭВД. При комнатной температуре по­лиэтилен устойчив к действию разбавленных серной и азотной ки­слот, концентрированной соляной, фосфорной и плавиковой кислот. Для полиэтилена высокого давления водопоглощение за 30 суток со­ставляет 0,022 %, для ПЭНД - 0,005... 0,04 %.

ПЭВД перерабатывается литьем под давлением (Т= 150...200 °С, р = 100 МПа), экструзией (Т= 110..180 °С, ρ= 8...10 МПа), прессованием (Т — 130... 150 °С, ρ = 4... 10 МПа), хорошо сваривается, обрабатывается механически. ПЭНД перерабатывается экструзией (Т = 180...260 °С), литьем под давлением (T = 200...270 °С, ρ= 120 МПа), прессованием (T= 145...180 °С, ρ= 6…10 МПа).

Полипропилен хорошо выдерживает изгиб, обладает высокой износостойкостью. В отсутствие воздуха термодеструкцияпрояв­ляется при 300 °С. Полипропилен устойчив к действию многих кислот и щелочей. Водопоглощение при 20 °С за 6 месяцев со­ставляет 0,5 %. Концентрированная серная кислота слабо разру­шает полипропилен при комнатной температуре и катастрофиче­ски при - 60 °С. К действию сильных окислителей полипропилен неустойчив. Полипропилен перерабатывается литьем под давле­нием (Г= 200...220 °С,р =35...42 МПа), экструзией, вакуум-формованием, пневмоформованием, раздувом, сваркой, прессовани­ем, напылением, обрабатывается резанием.

Полистирол - хрупкий полимер, обладающий высокой радиа­ционной стойкостью, легко подвергающийся старению. Промыш­ленностью выпускается полистирол блочный (марки ПСМД и ПСМ), суспензионный (ПС-С, ПС-СП), эмульсионный (ПСЭ-1, ПСЭ-2). Предел прочности составляет 35...45 МПа. Термическая деструкция начинается при температуре выше 266 °С. Полистирол устойчив к действию некоторых минеральных и органических ки­слот, щелочей, трансформаторного масла, разрушается концентри­рованной азотной и уксусной кислотами. Технологии переработки полистирола: литьем под давлением (Г = 160...230 °С, р = 80... 120 МПа), экструзией, вакуум-формованием, пневмоформованием.

Политетрафторэтилен - это линейный полимер, имеющий химическую формулу [-CF2-CF2-]. В разных странах выпускаются следующие марки политетрафторэтилена: фторопласт-4 (Россия), тефлон (США), полифлон (Япония) и др. В нашей стране выпус­каются различные модификации фторопласта: фторопласт-4Д, фторопласт-4М, фторопласт-40 и др.

Фторопласт-4 обладает свойствами самосмазки, имеет низкий коэффициент трения. Это наиболее химически стойкий полимер, не подверженный действию грибков. Для него характерна высокая стойкость к действию высококонцентрированных и разбавленных кислот и щелочей, сильных окислителей.

Фторопласт-4 перерабатывается спеканием предварительно спрессованных таблеток. После предварительной специальной об­работки полимер обрабатывается резанием (при высоких скоростях и малых подачах), сваривается и склеивается. Некоторые модифи­кации фторопласта перерабатываются методами порошковой металлургии, прессованием, экструзией, литьем под давлением, напылением.

Полиметиленоксид- линейный полимер, имеющий химиче­скую формулу [-СН₂-O-].

За рубежом полиметиленоксид известен под названием «аце-тальные, или полиацетальные, смолы». Полиметиленоксид хорошо сопротивляется усталостным и динамическим знакопеременным нагрузкам, обладает низкой ползучестью, высокой износостойко­стью. Коэффициент трения по стали составляет 0,2...0,35. При пере­работке полиметиленоксида используют метод литья под давлени­ем, экструзию. Температура переработки составляет 180... 240 °С. Материал хорошо обрабатывается резанием.

Полифениленсульфидхарактеризуется высокой термостойко­стью, устойчивостью к окислению, радиационной стойкостью. По химической стойкости уступает лишь политетрафторэтилену. Из­делия из полифениленсульфидамогут длительное время эксплуа­тироваться при 260 °С, полное разложение происходит при 720 °С. Механические и физические свойства полимера при 260 °С сохра­няются неизменными после выдержки в течение 200 ч.

Полифениленсульфид перерабатывается литьем под давлением (Т = 300...360 °С, р =75... 150 МПа), прессованием (Г = 340... 400 °С, р = 10...70 МПа), плазменным напылением, пропиткой тканей.

Полифениленоксид- простой ароматический полиэфир ли­нейного строения. В нашей стране известен как арилокс, в США - норил. Полифениленоксид может многократно без изменения свойств перерабатываться на литьевых машинах, отличается высо­кой технологичностью. Полимер нетоксичен, стоек к агрессивным средам, грибковой плесени. Перерабатывается по технологии литья под давлением, экструзией. Из полифениленоксида можно полу­чать тонкостенные изделия сложной формы.

Полиэтилентерефталат - сложный линейный ароматический полиэфир терефталевой кислоты. В нашей стране хорошо известен как лавсан. Полимер отличается низким коэффициентом трения и гигроскопичностью. Для изделий, изготовленных из него, характер­на стабильность формы. Полиэтилентерефталат устойчив к действию слабых кислот, минеральных солей, эфиров, жиров. В изделия по­лимер перерабатывается по технологии литья под давлением.

Поликарбонаты - это сложные полиэфиры угольной кислоты и диоксисоединений. В России поликарбонаты выпускаются под маркой «дифлон». Полимер оптически прозрачен, устойчив к дей­ствию ультрафиолетового излучения, обладает низкой гигроско­пичностью, стойкостью к действию микроорганизмов. Для изде­лий, изготовленных из него, характерна высокая стабильность раз­меров. Поликарбонаты перерабатываются в изделия всеми метода­ми, используемыми для переработки термопластичных полимеров. Температура переработки составляет 240...300 °С. Полученные из поликарбонатов изделия свариваются, склеиваются, обрабатыва­ются резанием, соединяются заклепками и гвоздями.

Полиарилаты - сложные ароматические полиэфиры двух­атомных фенолов. В нашей стране выпускаются под марками Д-3, Д-4, Д-ЗЭ, Д-4С и др. Обладают высокой прочностью и термостой­костью. В некоторых случаях успешно конкурируют с конструкци­онными металлическими материалами. Температура термического разложения полиарилатов составляет 420 °С. Эти полимеры устой­чивы к действию ультрафиолетового и ионизирующего излучения, к длительному воздействию разбавленных минеральных и органи­ческих кислот, бензина, керосина. В зависимости от марки поли­арилаты перерабатываются в изделия литьем под давлением, лить­евым и компрессионным прессованием, экструзией, формованием с раздувом.

Полиоксибензоатыхарактеризуются высокой термостойко­стью, не плавятся вплоть до температуры разложения (- 550 °С). Кристаллическая структура полимеров сохраняется до температу­ры 530 °С. Полиоксибензоаты являются износостойкими материа­лами, устойчивыми к коррозии. Они эффективны для изготовления полимерных композиционных материалов, предназначенных для работы при - 300 °С. Изделия из полиоксибензоатов получают спеканием порошкообразного полимера.

Полиамиды в нашей стране хорошо известны по маркам «ка-пролон», «найлон-7», «найлон-11» и др. Для этих полимеров ха­рактерны высокая усталостная прочность, износостойкость, удар­ная вязкость, низкая гигроскопичность, стабильность свойств при повышенных температурах, резко выраженная температура плав­ления. Полиамиды устойчивы к действию органических раствори­телей. Основные способы получения изделий из алифатических полиамидов - литье под давлением и экструзия. Ароматические полиамиды перерабатываются методом прямого прессования с предварительным подогревом.

Эпоксидные смолы представляют собой олигомеры или поли­меры, содержащие в молекуле не менее двух эпоксидных групп. Способны превращаться в полимеры пространст­венного строения.Неотвержденные смолы являются термопла­стичными вязкими жидкостями или хрупкими твердыми вещества­ми. Отвердителями смол служат мономерные, олигомерные и поли­мерные соединения различных классов. Эпоксидые смолы отвер­ждаются как без подвода тепла, так и при нагревании, даже в воде. Смолы обладают высокой стойкостью к действию щелочей, солей, окислителей, органических растворителей. Промышленностью вы­пускаются эпоксидно-диановые смолы (ЭД-10, ЭД-14, ЭД-16, УП-614 и др.), эпоксиноволачные смолы (ЭН-6, 5Н, 6Э18Н60 и др.), циклоалифатические эпоксидные смолы (УП-612, УП-632, УП-648 и др.). Полимерные композиционные материалы, изготов­ленные на основе эпоксидных смол, обладают высокими механи­ческими свойствами.

Технология изготовления материалов на основе эпоксидных смол заключается в пропитке волокон, тканей, нетканых волокни­стых материалов, бумаги и др. После отверждения обрабатываются методами прямого прессования, контактного формования, вакуум­ного формования и др.

Фенолформальдегидные смолы - это полимеры, представ­ляющие собой продукты поликонденсации фенолов с формальде­гидом. В зависмости от условий поликонденсации образуются ре- зольные (термореактивные) или новолачные (термопластичные) фенолформальдегидные смолы.

В неотвержденном состоянии фенолформальдегидные смолы представляют собой хрупкую прозрачную аморфную массу, пере­ходящую при 60... 120°С в жидкое состояние. Свойства резольных смол со временем изменяются, новолачные смолы в отсутствие влаги при хранении стабильны.

Максимальная температура отверждения смол лежит в диапа­зоне 140...200 °С. Продукты отверждения смол - резиты. Это хрупкие материалы с некристаллической структурой, обладающие высокими прочностными, электроизоляционными, антикоррозион­ными свойствами. Резиты устойчивы к действию большинства ки­слот. Температура деструкции фенолформальдегидных смол выше 300 °С.

Переработка фенолформальдегидных смол при производстве полимерных композиционных материалов включает пропитку тка­ных и нетканых волокнистых наполнителей, бумаги и других ма­териалов. После отверждения обрабатываются методами прямого и литьевого прессования, литья под давлением, экструзии, вакуумно­го формования.

Фурановые смолы представляют собой олигомерные продук­ты, содержащие в молекулах фурановый цикл и способные пре­вращаться в присутствии катализатора и (или) при нагревании в трехмерные полимеры. Фурановые смолы отверждаются так же, как фенолформальдегидные. Промышленностью выпускаются фу­рановые смолы марок ФА, ФЛ, ФАЭД и др. Продукты отвержде­ния фурановых смол являются тепло-, кислото- и щелочестойкими материалами, их разложение происходит при температурах выше 300 °С. Технология переработки фурановых смол в полимерные композиционные материалы заключается в пропитке наполнителей типа тканей, волокон и др. После отверждения обрабатываются методами прямого прессования, автоклавного формования и др.

Кремнийорганические полимеры (силиконы, полиорганоси­ликоны) представляют собой термостойкие высокомолекулярные элементоорганические соединения, содержащие в составе элемен­тарного звена макромолекулы атомы кремния и углерода. Промыш­ленностью выпускаются кремнийорганические смолы К-41, К-44, КО-916, КО-946 и др. Полимеры устойчивы к действию большин­ства кислот и щелочей. Смолы перерабатываются в полимерные композиционные материалы путем пропитки наполнителей с после­дующим отверждением. Изделия изготовляют методами прямого прессования, контактного формования и др.

Керамические матрицы

В настоящее время термин «керамика» толкуют неоднозначно. Так, различают обычную и техническую керамику. В состав обыч­ной керамики входят силикаты (SiO₂), поэтому промышленность, выпускающую обычную керамику, иногда называют силикатной. В технике используется керамика специального назначения (техническая керамика), в состав которой входят различные окси­ды, карбиды, нитриды, бориды, силициды, сульфиды. Известны примеры разработки керамик смешанного типа. Например, на ос­нове двух типов керамик - ионной оксидной Аl₂О₃ и ковалентной бескислородной Si₃N- был создан эффективный материал «сиалон». Из керамики этого типа изго­товлены опытные образцы блоков цилиндров двигателей внутрен­него сгорания, газотурбинных лопаток и других деталей.

В некоторых случаях к классу керамических материалов услов­но относят и материалы, называемые керметами. Керметы (кера­мико-металлические материалы) получают методами порошковой металлургии. Они включают керамическую (более 50 % по объему) и металлическую составляющие. Наиболее широкое распро­странение получили керметы типа оксид алюминия - металл, на­пример хром. Кроме оксида алюминия в качестве керамической составляющей в керметах могут быть использованы окислы маг­ния, бериллия, титана, циркония, хрома и других элементов. Ме­таллической составляющей служат никель, кобальт, железо, неко­торые металлические сплавы.

Иногда под керамикой понимают твердое вещество, характери­зующееся неметаллической природой связи и неполимерной (це­почечной) структурой, т. е. керамикой является все, что не являет­ся металлом и полимером [26]. В атомной структуре керамических материалов встречаются два типа химической связи между атома­ми: ионная и ковалентная.

По функциональному назначению различают механо-, термо-, электро-, магнето-, опто-, хемо-, био-, ядерную и сверхпроводя­щую керамику. Основными свойствами механокерамики являются твердость, прочность, модуль упруго­сти, вязкость разрушения, износостойкость, триботехнические свойства, коэффициент линейного термического расширения, тер­мостойкость. Обеспечивают эти свойства соединения Si₃N₄, ZrO₂, SiC, TiB₂, ZrB₂, TiC, TiN, WC, B₄C, A1₂O₃. Термической кера­мике свойственны жаропрочность, жаростойкость, огнеупорность. В качестве керамической составляющей используют SiC, TiC, В₄С, TiB₂, ZrB₂, Si₃N₄, BeS, CeS, BeO, MgO, ZrO₂, Al₂O₃, TiO.

В качестве примеров керамических материалов, успешно при­меняющихся на практике, можно назвать: карбид кремния (защита графита от окисления, вкладыши сопел пороховых и некоторых жидкостно-реактивных двигателей, абразив); карбид титана (жаро­прочные материалы для изготовления деталей реактивной и атомной техники); диборид циркония (кромки летательных аппаратов и сопел двигателей; нитрид бора (обтекатели антенн и электронного оборудования летательных аппаратов).

В настоящее время в промышленности используется большое количество керамических материалов. В зависимости от практиче­ской необходимости разрабатывают новые виды керамики. Для этого имеются достаточно широкие возможности. В качестве при­мера можно привести хорошо известные данные по изменению свойств керамики на основе оксида алюминия. Твердые зерна Аl₂O₃, известные как корунд, используются в качестве абразивного материала. Примеси хрома придают оксиду алюминия красную окраску. Этот минерал широко известен как рубин. Если в оксид добавить титан, то можно получить сапфир (обычно синего, голу­бого цвета). Благодаря примесям, сапфиры и рубины отлича­ются между собой оптическими свойствами и могут быть исполь­зованы в оптоэлектронике, в качестве рабочих тел оптических квантовых генераторов (лазеров). В зависимости от состава и структуры изменяются и другие важные свойства керамических материалов.

Основными достоинствами керамических материалов являются высокие температуры плавления, высокие прочностные свойства в условиях действия сжимающих напряжений, химическая стойкость в агрессивных средах. К современным керамическим материалам конструкционного назначения предъявляются и другие требова­ния. Речь идет в первую очередь об обеспечении высоких прочно­стных свойств, повышенной ударной вязкости и других свойствах, характерных для металлических конструкционных материалов.

Основным недостатком конструкционной керамики, сдержи­вающим ее широкое распространение как конструкционного мате­риала, является низкий уровень трещиностойкости (вязкости разру­шения). Вязкость разрушения керамики составляет приблизительно 1...2 МПа/м^1/2. Для металлических материалов характерны значения более ~ 40 МПа/ м^1/2 . Низкая трещиностойкость керамики обу­словлена высокой прочностью химических связей, характерных для нее. Материалы, обладающие ковалентным типом связи, как правило, являются прочными и хрупкими.

Методы повышения трещиностойкости технической керамики основаны на оптимизации параметров структуры исходных порошков, технологии формования и спекания материала. Это традицион­ные для материаловедения методы. Повышению трещиностойкости способствует также разработка методов торможения трещины под нагрузкой. В частности, этот подход реализуется при использо­вании керамических материалов на основе диоксида циркония ZKXОбнаружено, что в условиях приложения давления структура диок­сида циркония изменяется: исходная структура с тетрагональной модификацией ZrCbпреобразуется в моноклинную. Моноклинная модификация имеет объем на 3...5 % больший, чем тетрагональная. Поэтому если в керамике распространяется трещина, то возникшие при этом объемы ZrOмоноклинной модификации, расширяясь, сжимают трещину. Результатом такого воздействия становится по­вышение трещиностойкости керамики до ~ 15 МПа/м^1/2.

Другой метод повышения трещиностойкости технической ке­рамики основан на образовании в керамической матрице пустот (несплошностей), радиус которых гораздо больше по сравнению с радиусом при вершине распространяющейся трещины. Если тре­щина входит в пору, то ее вершина становится тупой [10]. В результате трещиностойкость материала возрастает. Управ­ляя геометрическими параметрами пустот, их формой и объемной долей, можно достаточно эффективно влиять на уровень трещино­стойкости керамики.

Нестандартным методом повышения трещиностойкости техни­ческой керамики является армирование материала упрочняющими волокнами. Высокопрочные тонкие волокна, расположенные пер­пендикулярно направлению распространения трещины, испыты­вают растягивающие напряжения. Препятствуя раскрытию трещи­ны, волокна фактически обеспечивают рост трещиностойкости ке­рамической матрицы. В том случае если волокна имеют длину, меньшую критической, и поэтому в процессе нагру­жения материала не разрушаются, а отслаиваются от керамической матрицы, то в результате этого вязкость разрушения также возрас­тает, поскольку на вытягивание волокна из керамики требуется затратить дополнительную энергию.

Несмотря на повышенную хрупкость большинства керамиче­ских материалов, некоторые их виды используются как ударопроч­ные. Возможность такого применения керамики обусловлена вы­сокими значениями твердости, модуля упругости, температуры плавления, низкой плотностью. Высокими критериями бронестойкости обладают карбид бора В₄С и диборид титана TiB₂. Пластины из диборида титана применяют для защиты от бронебойных и бро­непрожигающих снарядов. Об эффективности использования ке­рамики как ударопрочного материала свидетельствуют следующие данные: пластина из карбида бора толщиной 6,5 мм или оксида алюминия толщиной 8 мм останавливает пулю, летящую со скоро­стью более 800 м/с при выстреле в упор. Для противопульной защиты наиболее перспективно использование керамики из отно­сительно дешевого оксида алюминия. Эффективно также сочета­ние керамики и многослойной кевларовой ткани. Бронезащита от пуль калибром 12,6 мм включает пластины из оксида алюминия толщиной 15 мм и 35 слоев кевлара. Размер керами­ческих пластин составляет 50 х 50 или 100 х 100 мм.

Керамические и металлокерамические матрицы обеспечивают возможность успешной эксплуатации композитов при высоких температурах окружающей среды. Матрицы из SiС и Si3N4допус­кают рабочую температуру композиционных материалов до и °С [26]. Оксидная керамика высшей огнеупорности получается в процессе спекания тонкодисперсных порошков высокотемпера­турных оксидов: алюминия, циркония, бериллия, магния, кальция и др [10]. Температуры плавления кристаллической фазы оксиднойкерамики лежат в пределах 2000...3300 °С. Оксидная керамика с поликри-сталлической структурой обладает высокой теплопроводностью и огнеупорностью, термической и химической стойкостью, модулем упругости. Высокоогнеупорные оксиды устойчивы в сухом возду­хе и в окислительных средах.

Химическая и термическая стойкость - важнейшие достоинства керамических материалов. Эти качества обусловлены сильными химическими межатомными связями, реализующимися в керами­ческих материалах. Если говорить об оксидной керамике, то ее можно рассматривать как материал, который уже «сгорел» и «про-корродировал», поэтому дальнейшее окисление такой керамики, например при горении или других химических реакциях, практи­чески невозможно.

При температурах более 900–1000 °С сопротивление окисле­нию бескислородных керамик становится недостаточным. В этой связи при необходимости практического использования кера­мик этого типа в области более высоких температур окружающая среда должна быть неокислительной (нейтральная, восстанови­тельная, вакуум). Исключение - бескислородные соединения, со­держащие кремний, поскольку при работе в окислительной среде на поверхности материала образуется защитная пленка расплава кремнезема SiО₂. При разработке керамических материалов важ­ной задачей является обеспечение малой скорости испарения вхо­дящих в их состав элементов. Летучесть одних и тех же элементов в вакууме в бескислородных соединениях возрастает в порядке: карбиды, бориды, силициды, нитриды.

Основными этапами получения керамики являются получение порошков и их консолидация. Консолидация частиц порошка осу­ществляется в процессе высокотемпературного нагрева материала. Таким образом, в основе методов получения керамических мате­риалов лежит технология порошковой металлургии. Получение порошка исходного материала - важнейший этап керамической технологии. Высококачественная керамика получается при исполь­зовании мелкодисперсных исходных порошков (с размером частиц до 1 мкм) [10]. Для измельчения порошков технической керамики используют мельницы различного типа, технологию осаждения частиц из парогазовой фазы, технологию само распространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), виброкавитационное воз­действие на частицы, находящиеся в жидкости. Сверхтонкий по­мол порошков с получением частиц размером менее 1 мкм обеспе­чивают вибрационные мельницы и аттриторы.Формование порошков технической керамики осуществляется различными методами, среди которых основными являются: прессование, экструзия (продавливание формовочной массы с до­бавками пластификатора через мундштук); шликерное литье. Изде­лия простой формы получают преимущественно по технологии прессования. Особенностью обсуждаемых в данном разделе мате­риалов является их плохаяпрессуемость, что обусловлено высокими значениями плотности и твердости. В этой связи предпочтительно прессование в горячем состоянии с последующим гомогенизирую­щим отжигом или без него. Температура горячего прессования составляет 80...90 % от температуры плавления соединения. Для получения более сложных изделий применяют технологии экстру­зии или шликерного литья. При реализации этих технологий слож­ность представляет удаление из сформованных изделий пластифи­каторов. Перспективной технологией формования керамики счита­ется взрывное и гидродинамическое прессование.

Операция спекания керамики обеспечивает уменьшение порис­тости материала, резкое повышение прочностных свойств изделия. Спекание сопровождается усадкой изделия. Температура спекания керамики достигает 2000 °С и выше. Спекание осуществляется при атмосферном давлении и при приложении усилия. В некото­рых случаях процесс формования совмещают с операцией спека­ния керамики.

Контроль качества керамических материалов обычно выполня­ется с использованием рентгеновской и ультразвуковой дефекто­скопии. Обработка керамики и контроль ее качества определяют стоимость получаемых изделий. В некоторых случаях стоимость исходных материалов и их консолидация составляет лишь 11 %, на обработку керамических изделий приходится 38 %, а на контроль их качества - 51 % от общей стоимости.

Упрочнение волокнами

Волокно, находящееся в матрице, должно иметь более высокие значения модуля упругости, чем у матрицы (E^в>E^м), что является одним из условий получения композиции с высокими механическими свойствами.

Теория композиционных материалов предполагает равномерное распределение волокон по объему матрицы, их одинаковую направленность и отсутствие проскальзывания на поверхности раздела матрица –волокно вплоть до разрушения композиции. Нагрузка, таким образом, распределяется между волокнами и матрицей, а деформации композиций ξ^к, матрицыξ^м и волокна ξ^в будут одинаковы (ξ^к=ξ^м=ξ^в)

Прочность композиции в таком случае изменяется в зависимости от объемного содержания упрочняющих волокон V^в (рис.5.1)

Рис.5.1.Изменение прочности волокнистого материала

в зависимости от содержания упрочнителя

 

Малое содержание объемной доли волокна в матрице V^в<V_кр снижает прочность композиции. Волокна, быстро нагружаясь до предельных напряжений, разрушаются и нагрузку воспринимает только матрица, которая и определяет прочность композиции. Разупрочняющее действие волокон отмечается вплоть доV_кр, когда вначале происходит разрушение матрицы и дробление волокон. При увеличении объемного содержания доли волокон (V^в>V_кр) нагрузку воспринимают волокна, прочность которых определяет прочность всей композиции. Разрушение волокон под действием приложенной нагрузки приводит к быстрому разрушению матрицы.

Прочность композиции складывается из суммарной прочности волокон и матрицы:

             (5.1)

Аналогичным образом изменяется и модуль упругости композиции:

            (5.2)

Прочность композиции растет до значений объемной доли волокна V^в= 0,8 – 0,9, поскольку при больших значенияхV^всложно заполнить пространство между волокнами материалом матрицы, ухудшается сцепление волокна с матрицей и между ними возможно проскальзывание. Кроме того, в этом случае волокна близко расположены друг к другу, что не затрудняет распространение трещин от волокна к волокну.

Критический объем упрочняющих волокон в матрице определяют из уравнения

          (5.3)

Где — среднее напряжение течения матрицы в момент разрушения волокон.

Из уравнения (3) следует, что увеличение разницы в прочностных характеристиках волокон и матрицы уменьшает критическую объемную долю V_кр. Критическая объемная доля волокна в матрице может изменяться от 1 до 50%.

При упрочнении композиции дискретными однонаправленными волокнами матрица передает нагрузку волокнам путем пластической деформации, пропорциональной приложенному напряжению. Волокно, имея более высокий модуль упругости, чем матрица (Е^в>Е^м), ограничивает свободное удлинение матрицы, что приводит к искажению поля деформации. В зоне, прилетающей к волокну, удлинение матрицы равно упругому удлинению волокна (рис. 5.2.).

Рис.5.2. Схема совместной деформации дискретного волокна и матрицы (а), эпюры распределения растягивающих напряжений 𝜎 в волокне и напряжений сдвига на поверхности раздела матрица–волокно (б): 1– искаженное поле деформации; 2– армирующее волокно; 3 матрица

 

При увеличении нагрузки максимальные значения напряжений сдвига ограничиваются пределом текучести матрицы . Такого значения тангенциальное напряжение достигает на расстоянии от конца волокна. Полное использование упрочняющего действия волокна наблюдается в том случае, если напряжения в волокне не достигнут предела прочности . Критическое значение длины волокна определяют из уравнения равновесия элементов волокна и матрицы:

       (5.4)

Откуда

                  (5.5)

где d — диаметр армирующего волокна.

Критическая длина волокна пропорциональна напряжению разрушения волокна .

Деформация композиционных материалов под нагрузкой, приложенной вдоль упрочняющих волокон, проходит в несколько стадий (рис. 5.3).

 

Рис. 5.3. Диаграмма растяжения волокон (1), матрицы (2) и композиции с однонаправленными волокнами (3)

На Iстадии матрица и волокно деформируются упруго. Механические характеристики иE^к определяются по формулам (5.1) и (5.2), На IIстадии матрица переходит в упругопластичное состояние, а волокна деформируются упруго. Модуль упругости в том случае определяется по формуле:

         (5.6)

где  – скорость деформационного упрочнения матрицы.

На IIIстадии прочность композиции резко снижается и связи с разрушением хрупких волокон и матрицы.

Волокнистые композиции — ярко выраженный анизотропный материал, механические свойства которого самым существенным образом зависят от угла ориентации волокон относительно действующей нагрузки (рис.5.4). Устраняется этот недостаток только выбором материала для детали с пространственным армированием волокнами, сетками или конструированием детали из композиционногоматериала таким образом, чтобы нагрузки действовали вдоль упрочняющего волокна.

 

Рис 5.4. Зависимость прочности однонаправленной ком потники от угла ориентации волокон относительно де