композиционные материалы

Возможное снижение масс при использовании композиционных материалов.

композицио́нные материа́лы — материалы, состоящие из основы (матрицы) и наполнителя (введённых в неё компонентов с заданными свойствами) с сохранившимися границами раздела между ними. Свойства К. м. определяются совокупностью свойств и соотношением входящих в их состав компонентов, в результате чего К. м. могут обладать такими свойствами, которых не имеют компоненты, взятые в отдельности.

По характеру структуры и геометрической форме компонентов, входящих в состав К. м. они подразделяются на волокнистые, дисперсно-упрочнённые, слоистые и гибридные. Матрицей (связующим) и наполнителем (волокнами, частицами и др.) могут быть металлы и сплавы, полимеры, тугоплавкие элементы и соединения. Комбинируя содержание компонентов и их расположение в объёме, можно создавать К. м. с требуемыми механическими (в том числе фрикционными и антифрикционными), электрическими, магнитными, ядерными, химическими, оптическими, теплозащитными и другими свойствами.

Из всех видов К. м. наибольшее распространение получили волокнистые К. м. радиотехнического, теплозащитного и особенно конструкционного назначения. При создании волокнистых К. м. применяются непрерывные и дискретные волокна, нитевидные кристаллы различных веществ и соединений (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.): стеклянные, кварцевые, асбестовые, углеродные, борные, органические, а также металлические проволоки, отличающиеся высокими значениями прочности и модуля упругости. Армирующие наполнители используются в виде моноволокна и жгутов, нитей, тканей, проволоки, сетки, бумаг и других волокнистых материалов. Прочностные и деформативные характеристики волокнистых К. м. определяются свойствами упрочняющих волокон, их размерами, ориентацией и содержанием в материале. Свойствами матрицы определяются характеристики К. м. в направлениях, отличных от ориентации волокон, характер изменения свойств К. м. при воздействии температуры, атмосферных и других факторов, режимы получения и переработки К. м. в изделия.

Соотношение между компонентами в К. м. выбирается в зависимости от природы наполнителя и матрицы, структуры и назначения материала. Монолитность К. м. определяется взаимным соответствием компонентов (прочность, удлинение, коэффициент линейного расширения, термодинамическая совместимость и т. д.) и прочностью сцепления между ними, которая зависит от адгезии и полноты контакта фаз на границе раздела волокно — матрица. В целях повышения прочности сцепления по границе раздела и термической стабильности К. м. армирующий наполнитель подвергают физико-химической обработке (аппретирование, травление, активирование) или наносят разделительные покрытия (металлические, пироуглеродные, оксидные, карбидные и т. п.). Многие свойства К. м. могут быть рассчитаны по характеристикам компонентов, их соотношению и расположению в объёме материала с использованием теории механики составных сред.

Волокнистая форма наполнителя и различие в прочностных, деформативных и физических характеристиках волокон и матриц определяют существенную анизотропию свойств К. м. Наибольшая степень анизотропии присуща К. м. с параллельным (однонаправленным) расположением волокон. У таких материалов прочностные и упругие характеристики в направлении ориентации волокон могут на 1—2 порядка отличаться от аналогичных характеристик в поперечном направлении. Регулирование степени анизотропии и свойств К. м. достигается перекрёстным расположением армирующих слоев, созданием структуры с пространственной схемой армирования. Расширение диапазона регулирования свойств К. м. обеспечивается созданием гибридных К. м., содержащих волокна разной природы (например, углеродные и стеклянные), введением в межволоконное пространство нитевидных кристаллов и фольги между слоями волокон.

Уровень рабочих температур К. м. определяется в первую очередь природой матрицы, термостойкостью и термостабильностью её и границы раздела. В промышленности наибольшее распространение получили полимерные К. м. на основе модифицированных, эпоксидных, фенольных, имидных и кремнийорганических связующих в сочетании со стеклянными, углеродными и органическими волокнами (рабочие температуры 150—400°С) и металлические К. м. с матрицами на основе алюминиевых, магниевых, титановых и никелевых сплавов с борными, углеродными волокнами, стальной, вольфрамовой проволоками (рабочие температуры 300—1200°С). Рабочие температуры дисперсноупрочненных никелевых сплавов достигают 1300°С, а К. м. на основе карбидов, нитридов, а также углерод-углеродных К. м., в которых углеродные волокна связаны коксом и пироуглеродом, — 1500—2200°С.

К. м. по комплексу характеристик (удельная прочность, удельный модуль упругости, усталостная и длительная прочность, деформационная теплостойкость, демпфирующая способность) превосходят традиционные конструкционные материалы. Полимерные К. м. наряду с конструкционными свойствами обладают рядом специальных свойств — радиотехнических, теплозащитных, электротехнических, фрикционных и т. п.

При изготовлении деталей из К. м. материал и изделие формуются одновременно, при этом изделию сразу придают заданные геометрические размеры. Природа матрицы и тип армирующего наполнителя, конструкция и размеры деталей определяют выбор метода переработки К. м. в изделие, обеспечивающие совмещение волокон и матрицы, ориентацию волокон, уплотнение материала и его отвердевание. Технология изготовления деталей из волокнистых К. м. включает следующие основные операции: подготовка армирующего наполнителя, совмещение наполнителя с матрицей (получение полуфабрикатов — препрегов), сборка и ориентация слоев наполнителя по форме детали, уплотнение и термообработка, механическая обработка.

Подготовка армирующего наполнителя включает операции, направленные на подготовку поверхности волокон к совмещению и последующему взаимодействию с матрицами. Среди них: аппретирование и подшлихтовка — нанесение на поверхность минеральных и металлических волокон кремнийорганических и других соединений, обеспечивающее их гидрофобность и химическое взаимодействие с полимерной матрицей; активирование поверхности — обработка борных, углеродных и металлических волокон в жидких и газообразных окислителях, приводящая к окислению и стравливанию поверхностного слоя.

Совмещение армирующего наполнителя с матрицей производится в зависимости от природы матрицы различными способами: нанесением раствора или расплава при прохождении волокна через жидкое связующее, плазменным напылением, пропиткой под вакуумом или давлением, дублированием с фольгой или плёнкой (матрицей) при прокатке. Для улучшения проникновения матрицы в межволоконное пространство применяют принудительную пропитку, например, с помощью роликов или ультразвука.

Способ сборки и ориентации армирующего наполнителя определяется геометрией деталей и формой армирующего наполнителя или препрега. При использовании тканей, сеток, широких лент применяют ручную выкладку слоев, предварительно раскроенных по шаблонам. Для ориентации армирующего наполнителя в плоских деталях и деталях однозначной кривизны используют специальные выкладочные машины-автоматы с программным управлением. Для деталей, имеющих форму тел вращения или близкую к ним, широко применяется метод намотки, которая производится на многокоординатных станках с программным управлением. Ориентация волокон в профилях различных сечений осуществляется методом протяжки.

Уплотнение материала, обеспечивающее его монолитность и заданное соотношение компонентов, осуществляется при его нагревании в специальной оснастке на гидравлических прессах, автоклавах, гидроклавах, литьевых машинах при давлении от 0,09 до 50 МПа. Для достижения температуры, необходимой для размягчения и сварки металлических К. м. или отверждения полимерных К. м., наряду с традиционными методами применяются нагрев токами высокой частоты, инфракрасный нагрев и нагрев пропусканием электрического тока через токопроводящие волокна К. м.

Механическая обработка К. м. производится алмазным и твердосплавным режущим инструментом при больших скоростях резания и малых подачах. При этом учитывают их особенности: низкую сдвиговую прочность, высокую твёрдость и абразивное действие ряда волокон (борных, стеклянных), низкую теплопроводность К. м. с органическими волокнами. Собирают конструкции из К. м. обычными методами (сваркой, пайкой, клёпкой). При сборке конструкций из полимерных К. м. наряду с клёпкой и установкой болтов широко применяется склеивание. Контроль качества конструкций, изготовленных из К. м., производится неразрушающими методами, позволяющими обнаружить такие дефекты, как искривления, разориентация и повреждение волокон (рентгеновский метод), расслоение, непроклеи, раковины (импедансный, ультразвуковой), трещины (люминесцентный).

К. м. широко используют в авиационно-космической промышленности. Их применяют при изготовлении самолётов и вертолётов, искусственных спутников Земли, ракет-носителей и др. Эффективное направление применения К. м. — использование их в обшивках и обечайках монолитных и трёхслойных конструкций, ёмкостях высокого давления, стержнях и балках. Удельная прочность таких конструкций в 1,5—2 раза выше, чем у аналогов из алюминиевых сплавов. Широкое применение в планёре летательного аппарата деталей и агрегатов из К. м. — одно из основных направлений повышения весовой эффективности новой авиационной техники. Использование К. м. в конструкциях средненагруженных деталей (поверхности управления, створки люков, антенные обтекатели, полы, перегородки салонов), а также в конструкциях агрегатов (например, стабилизатора, крыла, отсеков фюзеляжа) позволяет не только снизить (на 10—15% и более, см. рис.) массу деталей и агрегатов, но и повысить надёжность их работы. Стекло-, угле- и органопластики находят применение в конструкциях воздушных винтов, несущих и рулевых винтов вертолётов, лопаток компрессоров газотурбинных двигателей. Высокая радиационная стойкость углепластиков и низкий коэффициент линейного термического расширения делают весьма эффективным их применение в космической технике (панели солнечных батарей, корпуса антенн и т. п.).

Литература:
Структура и свойства композиционных материалов, М., 1979;
Композиционные материалы. Справочник, под общ. ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского, М., 1990.

Г. М. Гуняев, Е. В. Моисеев, Б. В. Перов, Г. Б. Строганов, Я. Я. Фридляндер, В. М. Чубаров.