представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру структуры К. м. подразделяются на волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами (См. Нитевидные кристаллы), Дисперсноупрочнённые материалы,полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, Слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. К. К. м. также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
Волокнистые К. м., армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (SiC, AI2O3, бор, углерод и др.) являются новым классом материалов. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555—60 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прообразом К. м. являются широко известный Железобетон,представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в.прокаткой слоистые материалы.
Успешному развитию современных К. м. содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940—50); открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950—60); разработка новых армирующих материалов — высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al2O3, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960—70).
В технике широкое распространение получили волокнистые К. м., армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжения волокнам. Волокнистые К. м., как правило, анизотропны. Механические свойства их () определяются не только свойствами самих волокон (), но и их ориентацией, объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких соединений (В4С, SiC и др.) обычно составляет 100—150мкм.
Волокнистые К. м., в отличие от монолитных сплавов, обладают высокой усталостной прочностью σ-1. Так, например, σ-1(база 107циклов) алюминиевых сплавов составляет 130—150Мн/м2(13—15кгс/мм2),в то время как у армированного борным волокном алюминиевого К. м. σ-1около 500Мн/м2(при той же базе). Предел прочности и модуль упругости К. м. на основе алюминия, армированного борным волокном, примерно в 2 раза больше, чем у алюминиевых сплавов В-95 и АК4-1.
Важнейшими технологическими методами изготовления К. м. являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием; осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и другие.
Табл. 1. — Механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
||Упрочнитель (волокно)||Предел|Удельная|Модуль|Удельный||
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Матрица (основа)|материал|%(по объёму)|Плотность,кг/м3|прочности,Гн/м3|прочность,кн-м/кг|упругости,Гн/м3|модуль упругости,|
||||||||Мн-м/кг|
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Никель|Вольфрам|40|12500|0,8|64|265|21,2|
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
||Молибден|50|9300|0,7|75|235|25,25|
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Титан|Карбид кремния|25|4000|0,9|227|210|52|
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Алюминий|Борное волокно|45|2600|1,1|420|240|100|
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
||Стальная|25|4200|1,2|280|105|23,4|
||проволока|||||||
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
||Борное волокно|40|2000|1,0|500|220|110|
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Магний|Углеродное волокно|50|1600|1,18|737|168|105|
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Полимерное|Борное волокно|60|1900|1,4|736|260|136,8|
|связующее||||||||
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Табл. 2.— Свойства нитевидных кристаллов и непрерывных волокон
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
|Упрочнитель|Температура|Плотность,|Предел|Удельная|Модуль|Удельный|
||плавления, °С|кг/м3|прочности,|прочность,|упругости,|модуль|
||||Гн/м2|Мн•м/кг|Гн/м2|упругости, Мн•|
|||||||м/кг|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Непрерывные волокна|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Al2O3|2050|3960|2,1|0,53|450|113|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|B|2170|2630|3,5|1,33|420|160|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|C|3650|1700|2,5|1,47|250—400|147—235|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|B4C|2450|2360|2.3|0,98|490|208|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|SiC|2650|3900|2,5|0,64|480|123|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|W|3400|19400|4,2|0,22|410|21|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Mo|2620|10200|2,2|0,21|360|35|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Be|1285|1850|1,5|0,81|240|130|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Нитевидные кристаллы (усы)|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Al2O3|2050|3960|28*|7,1|500|126|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|AlN|2400|3300|15*|4,55|380|115|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|B4C|2450|2520|14*|5,55|480|190|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|SiC|2650|3210|27*|8,4|580|180|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|Si2N4|1900|3180|15*|4,72|495|155|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|C|3650|1700|21*|12,35|700|410|
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
*Максимальные значения.
В узлах конструкций, требующих наибольшего упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными волокнами, что позволяет повысить в 1,5—2 раза удельную конструктивную прочность по сравнению с цельнометаллическими корпусами. Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает их жаропрочность. Например, армирование никелевого сплава вольфрамовым волокном (проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в 2 раза.
Весьма перспективны К. м., армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до несколькихмкмпо диаметру и примерно 10—15ммпо длине.
Разрабатываются К. м. со специальными свойствами, например Радиопрозрачные материалы и Радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие. Свойства К. м. на основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 °С) выше, чем у обычных сплавов. К. м. на никелевой и кобальтовой основах увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200 °С, а на основе тугоплавких металлов и соединений — до 1500—2000 °С. Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов.
Области применения К. м. многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности — для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении — для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности — для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности — в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве — для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности — для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности — для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении — для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др.; в бытовой технике — для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др.
Применение К. м. в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.
Лит.:Волокнистые композиционные материалы, пер. с англ., М., 1967: Современные композиционные материалы, под ред. П. Крока и Л. Броутмана, пер. с англ., М., 1970; Туманов А. Т., Портной К. И., «Докл. АН СССР», 1971, т. 197, № 1, с. 75; 1972, т. 205, №2, с. 336; их же, «Металловедение и термическая обработка металлов», 1972, № 4, с. 24.
А. Т. Туманов, К. И. Портной.