Композиты с углеродной матрицей

В качестве армирующего компонента таких композитов используется углеродное волокно. Основное назначение таких композитов — теплозащитные покрытия. Они сохраняют высокие механические свойства при очень высоких температурах. При нагреве до 2000 °C наблюдается даже некоторое повышение пределов прочности при растяжении и сжатии. По прочности «углерод-углеродный» композит в 5… 10 раз превосходит специальные графиты. Так, значения пределов прочности композита марки КУП-ВМ при растяжении и сжатии составляют соответственно 200 и 260 МПа, тогда как у специальных графитов они нс превышают 10 МПа при растяжении и 50 МПа при сжатии. Высокие теплозащитные свойства композита определяются также тем, что при нагреве происходит снижение теплопроводности и рост теплоемкости графита. «Углерод-углеродные» композиты нашли применение для тепловой защиты дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Композиты с металлической матрицей сочетают в себе достоинства и металлов, и композитов. Они обладают высокими значениями модуля упругости, предела прочности, ударной вязкости. Эти материалы сохраняют свои свойства при температурах значительно более высоких, чем композиты с полимерной матрицей. Прочная металлическая матрица обеспечивает высокие механические свойства в направлении перпендикулярном оси волокон, что определило конструкцию композитов с металлической матрицей как одноосную, т. е. более технологичную. Арматура — моноволокно, жгуты.

Особенностью композитов с металлической матрицей, отличающей их от остальных композитов, является возможность их упрочнения термической обработкой или наклепом. Повышение механических характеристик достигается за счет упрочнения материала матрицы.

Наиболее распространены композиты с матрицей из алюминия или сплавов на его основе вследствие их высокой технологичности при производстве композитов. В качестве армирующего компонента используют борные и углеродные волокна, стальную проволоку.

Предел прочности бороалюминия (композит марки ВКА-1) вдоль направления волокна при комнатной температуре (1000…1200 МПа) в два раза выше, чем у конструкционных алюминиевых сплавов. При повышенных температурах его преимущество становится еще заметнее (при 500 °С предел прочности композита составляет 500 МПа). Прочность в поперечном направлении этого композита достаточно низкая (около 60 МПа), поскольку материал матрицы — неупрочняемый сплав. При изготовлении матрицы из сплава Д16 и упрочнении композита путем термической обработки (закалка + старение) его прочность в поперечном направлении возрастает до 200 МПа.

Композиты с углеродным волокном (КАУ) получают методом пропитки, т. е. заливкой волокнистого каркаса. Материал матрицы в этом случае — литейный сплав алюминия. При армировании силумина АК12 углеродными волокнами достигается прочность до 1000 МПа и теплостойкость до 500 °C.

Использование для армирования стальной проволоки (композит КАС-1) позволяет повысить предел прочности до 1300…1450 МПа. В качестве матричного материала для композита КАС-1 применяют упрочняемые сплавы алюминия, поэтому предел прочности в поперечном направлении достаточно высок — после термической обработки его значения приближаются к 300 МПа (материал матрицы — сплав САП-1, т. е. в этом случае имеем комбинированное упрочнение — дисперсно-упрочненный волокнистый композит).

Основное применение композитов с матрицей на основе алюминиевых сплавов — авиационная промышленность. Их используют вместо алюминиевых сплавов для повышения механических свойств, наиболее важным является увеличение модуля упругости. Так, замена сплава Д16 на композит ВКА-1 позволило повысить жесткость лонжерона крыла примерно в 1,5 раза.

Композиты с магниевой матрицей обладают более высокой удельной прочностью, чем композиты на основе алюминия, из-за малой плотности магния (плотности магния и алюминия составляют соответственно 1,74 и 2,7 г/см3). Предел прочности боромагния при комнатной температуре приближается к 1000 МПа, а при температуре 400 °C его значение составляет около 500 МПа. Однако производство композитов с магниевой матрицей связано со значительными технологическими трудностями из-за низкой пластичности и свариваемости магниевых сплавов, а также присутствия на поверхности рыхлой оксидной пленки магния.

Композиты с титановой матрицей армируют волокнами бора, борсика, карбида кремния, бериллия, молибдена. Основное достоинство этих композитов — высокая теплостойкость. Высокие значения прочности сохраняются до 650…700 °С. В продольном направлении предел прочности композитов составляет 1100…1300 МПа (в зависимости от вида волокон и их свойств), а в поперечном достигает 650 МПа из-за высокой прочности матрицы. Композиты с титановой матрицей используют в качестве жаропрочного материала. Так, композит с матрицей из титанового сплава (90% Ti, 6% А1, 4% V), армированный молибденовой проволокой, при температуре 650 °C имеет длительную прочность ?100 = 170 МПа (см. 2.4.1).