Свойства некоторых современных  КМ

ЛЕКЦИЯ № 1

!!!!!Цель создания КМ – достичь такой комбинации свойств, которая не присуща каждому из исходных компонентов в отдельности (свойства обусловлены граничными процессами)

!!!!!Материал с требуемыми характеристиками можно получить

-путем оптимального подбора типа, состава и свойств М и Н, их соотношения, геометрии, армирования, ориентации, формы Н,

- путем выбора оптимальной технологии совмещения М и Н.

КМ (волокнистые)

МАТРИЦА (связующее)	НАПОЛНИТЕЛЬ (армирующий элемент)
обеспечивает монолитность; - фиксирует форму; - обеспечивает совместную работу волокон; - передает нагрузку волокнам; - перераспределяет нагрузку при разрушении волокон; -определяет важные эксплуатационные свойства: - Tраб; - плотность; -тепло- - влаго- - хим. стойкость…..	- обеспечивает необходимые механические характеристики в направлении ориентации волокон; - воспринимает основные напряжения, возникающие при воздействии внешних нагрузок.

КМ (по природе матрицы)
Неметаллическая матрица	Металлическая матрица

МЕТАЛЛОКОМПОЗИТЫ (МКМ)

МАТРИЦА:

Металлы и сплавы Al, Cu, Mg, Ni, Ti, Fe, Cr, Аg, интерметаллиды (TiAl, Ti₃Al)

Свойства некоторых современных  КМ

НАПОЛНИТЕЛИ:

Типичные наполнители, используемые в МКМ

 

Тип наполнителя	длина/диаметр	Диаметр, мкм	Виды
Частицы	1-4	1-25	SiC, Al203, BN, B4C, WC
Короткие волокна, усы	10-10000	1-5	C, SiC, Al2О3, Al203+Si02
Длинные волокна	>10000	3-150	SiC, A12О3, С, B, W, сталь   Nb-Ti, Nb3Sn (интерметаллиды)

КЛАССИФИКАЦИЯ МКМ

(По геометрии армирующих компонентов)

- армированные частицами (трехмерными наполнителями)

- армированные короткими волокнами и непрерывными волокнами (одномерными)

- слоистые композиты (армированные двумерными наполнителями (пластины))

 

Каждый из этих классов имеет свои особенности.

 

 

 

Начало разработки МКМ: 70-годы прошлого столетия

                                          

Почему именно МКМ????

1)  Преимущества перед неармированными металлами;

 

2) Преимущества перед другими классами КМ

 

 

ПРЕИМУЩЕСТВА ПЕРЕД НЕАРМИРОВАННЫМИ МЕТАЛЛАМИ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КЛТР

Рис. 1. Влияние армирования на тепловое расширение металлов

Теплопроводность

	Теплопроводностъ, Вт /(м град)
Алюминий	201
А1-15% А12О3,	140
Фенолформальдегид	0,2
Фенольная смола/50% стекловолокон	0,6
Эпоксид	0,3
Эпоксид/60% стекловолокон	1,6

Механические свойства

Модуль Юнга, прочность

Рис.2. Влияние армирования на модуль Юнга (Е) алюминия

Рис.3. Влияние степени наполнения на модуль Юнга алюминия

Рис.4 Влияние степени наполнения на прочность (МПа) при растяжении композита на основе алюминиевого сплава

 

 

 

Рис. 5. Влияние угла между осью растяжения и осью волокон на прочность однонаправлено-армированного

титанового сплава (Ti-6Al-4V)

 

2) Деформативность, вязкость разрушения

 

Деформативность алюминиевого сплава, армированного 20 % коротких волокон окиси алюминия или усов карбида кремния

 

Матрица	Волокна	Удлинение (%)
А1	Окись алюминия	4,0
А1-2, 5%Мg	Окись алюминия	3,3
Al-l0%Mg	Окись алюминия	1,3
Al-12%Si-l%Cu-l%Ni	Окись алюминия	<1
6061 А1	Карбид кремния	7,0
7075 Аl	Карбид кремния	4,2

 

 

Причина снижения вязкости разрушения до конца неясна!!

(наличие м/ф слоя, однородность распределения волокон, свойства волокон (особенно поверхностные), наличие внутренних напряжений, чистота матрицы и др.)

 

3) Жаропрочность

 

Рис. 6. Зависимость прочности Al и композита на его основе от температуры

Рис. 7. Рабочие температуры некоторых КМ

……………………………………………………………………..

НЕДОСТАТКИ МКМ

- высокая стоимость (затраты на сырье, производство волокон…..)- особенно на ранних этапах разработки;

 

- низкая пластичность (надежность);

- высокое  реактивное взаимодействие между М и В.

Главные задачи перед конструкторами и технологами при создании МКМ:

1) Основное: повышая прочность, жесткость, не потерять пластичность и вязкость разрушения (обеспечивают конструкционную прочность и нейтрализуют влияние концентраторов напряжений).

 

МКМ НА ОСНОВЕ Al

МКМ	прочность, ГПа	Е, ГПа
Al - B	1,2	240

Т_раб=до 500 С

Но!!!

б = 0,6 – 0,8 %!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

МКМ НА ОСНОВЕ Ni

КМ	прочность, ГПа	Е, ГПа
Ni - С	1, 2	300

Т_раб= до 1300 С

б = 0, 4 – 4 %

 

МКМ занимают особое место среди КМ. В одном материале сочетаются пластичная металлическая матрица и хрупкий высокопрочный, высокомодульный наполнитель, что при правильном сочетании различных факторов может позволить достичь высоких показателей как прочности и жесткости, так и пластичности и вязкости.

2) При разработке МКМ следует тщательно рассмотреть проблемы химической и механической совместимости столь разных ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ, СТРОЕНИЮ, ФИЗИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ компонентов.

ВЫВОД:

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МКМ

Виды МКМ	ПРИМЕНЕНИЕ

В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

- высокие удельная прочность и жесткость - Основной критерий выбора материала

Использование МКМ в конструкциях летательных аппаратов благодаря их высокой удельной прочности и жесткости позволяет достигать важного эффекта — снижения массы. Замена традиционных материалов на МКМ в основных деталях и узлах самолетов, вертолетов и космических аппаратов приводит к снижению их массы на 20—70%.

- высокая жаропрочность