Композиционными материалами называют такие материалы, которые состоят из различных составных частей, не растворяющихся друг в друге. Обычно такие материалы представляют собой соединение высокопрочных, жаропрочных или особо жестких (высокомодульных) тонких порошков, волокон, непрерывных нитей, и полимерной, металлической или керамической матрицы, в которую эти жесткие элементы погружены, и которая связывает эти элементы в монолитное тело. Композиционные материалы могут быть дисперсноупрочненными, волокнистыми, слоистыми. По виду и расположению упрочняющих компонентов композиционные материалы подразделяются на группы с каркасной, матричной, слоистой и комбинированной структурой.
В зависимости от геометрии армирующих элементов композиционные материалы бывают изотропными или анизотропными. Если армирующий материал располагается в хаотическую ориентацию в пространстве и состоит из порошковых или коротковолокнистых элементов, то чаще всего такие композиционные материалы являются изотропными. В том случае, если композиционные материалы состоят из закономерно и единонаправленных волокон, соединенных матрицей, то такие материалы, являются анизотропными.
С примерами композиционных материалов с полимерной матрицей мы уже сталкивались выше (текстолит, гетинакс и др.).
Особую роль, как композиционных материалов с высокими показателями удельной прочности, играют сплавы с металлической матрицей, основу которых составляют чаще всего алюминий и алюминиевые, магниевые, никелевые сплавы и др.
Широко известны порошковые дисперсноупрочненные спеченные композиционные материалы, например, САП (спеченная алюминиевая пудра). Алюминиевая пудра представляет собой мельчайшие частицы алюминия, полученные методами размола алюминия в мельницах и естественно окисленные кислородом воздуха за счет высокой химической активности алюминия.
Для изготовления изделий такую пудру брикетируют с получением изделий заданной формы и размеров, а затем спекают при температуре 500 - 550 ºС. Материал получает высокую удельную прочность - до 400 - 450 МПа, которая позволяет использовать изделия при сравнительно высоких температурах - до 500 ºС.
Для получения волокнистых материалов (композитов) с алюминиевой матрицей используют волокна, нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений с бором, углеродом, а также окиси алюминия, карбида или нитрида кремния и др.
В ряде случаев в качестве волокон применяют проволоку из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена, хрома, бериллия и др.
Положительными свойствами композиционных материалов с металлической матрицей являются: высокая термостойкость, более высокие, чем у порошковых композиционных материалов электро- и теплопроводность, негорючесть, устойчивость к эрозии, стабильность размеров во влажном состоянии и некоторые другие.
По сравнению с однородными литыми и деформируемыми традиционными металлическими металлами и сплавами композиционные материалы существенно (в несколько раз) имеют более высокие прочностные свойства и модули упругости, а также на порядок более высокие значения удельной прочности по отношению к удельному весу (таблица 9.2).
Таблица 9.2 - Физико-механические свойства КМ с металлической матрицей
| Материал | Содержание волокна,% | Плотность, г/см3 | Предел прочности при растяжении, МПа при | Модуль упругости, ГПа | Усталостная прочность на базе 107 циклов, МПа | Длительная прочность, за 100 ч при 400 ºС, МПа | Коэффициент линейного расширения, α·10-6, 1/ºС | |
| При 20 ºС | При 400 ºС | |||||||
| Алюминий-стальная проволока | 4,8 | 11,8 | ||||||
| Алюминий-борное волокно | 2,65 | 6,0 | ||||||
| Магний-борное волокно | 2,2 | 6,5 | ||||||
| Никель-вольфрамовая проволока | - | 700 при 1100ºС | - | - | 150 при 1100ºС | - | ||
| Алюминий-угольное волокно | 30-40 | 2,3 | 700-800 | 600-700 | 130-150 | - | - | - |
| Магний-угольное волокно | 30-40 | 1,8 | 700-800 | 600-700 | 130-150 | - | - | - |
Возрастающая потребность в материалах, обладающих высокими прочностными характеристиками, стимулирует работы по созданию композиционных материалов с металлической матрицей из алюминиевых сплавов, армированных высокопрочными волокнами, например, борными, углеродными и стальными.
Такие композиционные материалы являются наиболее перспективным классом машиностроительных материалов при постоянном ужесточении условий эксплуатации современных машин, при которых традиционные металлы и сплавы не удовлетворяют возрастающим требованиям, особенно в части удельных показателей прочности и жесткости.
Существует композиционные материалы типа КАС - алюминиевый сплав, армированный в одном направлении стальными волокнами. Такие КМ имеют высокую технологичность при производстве; относительно малую себестоимость; хорошую воспроизводимость характеристик при изготовлении изделий из композиционных материалов. Широкое применение КМ типа "алюминий - сталь" в промышленности сдерживается невысоким удельными характеристиками и анизотропией свойств.
Металлические композиционные материалы применяют в таких областях современной техники, где они должны работать при особо низких, высоких и сверхвысоких температурах, в агрессивных средах, при статических, динамических, знакопеременных нагрузках в условиях жестко-упругих конструкций.
Их применяют в авиационной, ракетной и космической технике. Из алюминиевых сплавов, армированных стальной проволокой, изготавливают тонкостенные топливные баки и другие корпусные детали. Использование таких материалов в изделиях авиационной техники уменьшает массу деталей равной прочности на 20-60%. Композиции на основе алюминий-титан используют при изготовлении легких лопаток газотурбинных двигателей. Наиболее высокими качественными показателями для этого назначения отличаются композиционные материалы на никелевой и хромовой основе с армированием нитевидными кристаллами окиси алюминия.
Металлические композиционные материалы на основе свинца или его сплавов с оловом, армированные проволокой из нержавеющей стали, могут использоваться для изготовления подшипников, работающих без смазки. В электротехнике металлические композиционные материалы находят применение для изготовления проводов высоковольтных линий, износостойких контактов, сверхпроводников и др.