Композиционные (композитные) материалы (KM) – конструкционные (металлические и неметаллические) материалы, в которых имеются усиливающие элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать КМ с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Примером композитного материала является железобетон, т.е. бетон, обволакивающий стальную арматуру.
Матрицей (основой) композитных материалов служат сплавы, полимеры, керамические материалы. Матрица придает форму материалу. В ней расположены наполнители, которые часто называют упрочнителями.
Упрочнителями часто выступают частицы тугоплавких оксидов (тория, гафния и др.), карбидов, боридов.
Связь между компонентами в композитах на металлической основе обеспечивается адгезией.
Тончайшие волокна обладают высокими механическими свойствами (см. таблицу ниже). Свойства волокон зависят от исходного сырья и его обработки. Адгезия между матрицей и упрочнителями должна быть удовлетворительной.
Физические и механические свойства волокон, вводимых в матрицу
Материал | Тпл, °С | σв, МПа | Е, МПа |
Углерод | 3650 | 1700 | 674*103 |
Бор на вольфрамовой проволоке | 2300 | 2707 | (373-402)*103 |
Вольфрам | 3410 | 1650-3200 | 420*103 |
Композиционные материалы на металлической матрице (МКМ) могут состоять из двух или нескольких фаз. Они имеют комплекс совершенно новых, по сравнению с однородными металлами и сплавами, физических и механических характеристик (прочности, жесткости, усталостной прочности, долговечности, жаропрочности, надежности работы в условиях интенсивного температурно-силового, радиационного и эрозионного воздействия, а также влияния агрессивных сред). Например: прочность алюминиевых сплавов удалось поднять до 650-700 МПа, а МКМ на алюминиевой основе имеют прочность – 1500 МПа.
Изготовление композитов по технологиям, в которых диффузионные процессы интенсифицируются, называются диффузионной сваркой. Во время диффузионной сварки под давлением пакет-заготовка выдерживается при определенном давлении и температуре (400 – 600°С) между обогреваемыми плитами пресса (горячее прессование). Сварка может проходить как в твердом состоянии, так и при частичном подплавлении матрицы. В последнем случае рабочие давления сварки снижаются на порядок, сокращается общее время сварки, но для этого требуются химически стойкие, по отношению к матрице, волокна или же волокна с защитными покрытиями. Прессование участков полуфабриката может производится поочередно, что позволяет изготавливать заготовки любой длины.
Особенности сварки и пайки МКМ
В настоящее время используются некоторые из возможных способов сварки и пайки МКМ. Наиболее широкое распространение получила сварка давлением, прежде всего, контактная и диффузионная, которая обеспечивает высокое качества сварных соединений. При этом, армирующие волокна в результате сварки давлением между собой не соединяются.
Важной особенностью контактной и диффузионной сварки является незначительное термическое влияние сварочного процесса на волокно МКМ, поскольку температура нагрева при диффузионной сварке не превышает температуры плавления матрицы МКМ; при контактной сварке, хотя процесс идет при более высоких температурах, длительность нагрева не превышает сотых долей секунды.
При сварке плавлением композитов соединение обеспечивается за счет расплавления металла матрицы. При этом, температура нагрева значительно превосходит температуры плавления компонентов МКМ. Поэтому, применение сварки плавлением для соединения МКМ требует специальных технологических мер защиты армирующих волокон от расплавления.
Пайка занимает промежуточное место между сваркой плавлением и сваркой давлением.
Для соединения заготовок из МКМ контактным способом применяют точечную и шовную сварку.
Для соединения композитов рационально использовать комбинированные способы. Одним из них является одновременное осуществление процессов точечной сварки и пайки, (или пайки под давлением), т.е. процесс сварки-пайки.
Применение керамики
В деталях, работающих при высоких температурах, например, в двигателях внутреннего сгорания, применяют керамику. Керамика из окислов Аl2О3, MgO и ZrO2 отличается очень высокой прочностью при сжатии: при комнатных температурах – до 3000 МПа, при Т = 110°С – до 900 МПа.
Керамика успешно используется при изготовлении резцов, фильтров, для протяжки проволок, в деталях машиностроения. Также применяется фосфор кварцево-полевошпатовый и другие материалы с σи = 90-110 МПа.
Ситаллы (стеклокристаллические материалы) изготавливают методом спекания порошков с последующим формообразованием направленной кристаллизации и последующей механической обработкой. Из этого типа керамики наиболее применимы износо- и химико-устойчивые ситаллы.
Ситаллы и керамика соединяются клеями преимущественно на эпоксидной основе, хорошо паяются, обеспечивают прочные соединения в результате диффузионной сварки.