Лекция 8. Композициялық материалдар.

Композициялық деп, құрамына ерiмейтiн немесе аз еритiн, қасиеттерi бойынша бiр-бiрiнен күштi айырмашылығы бар компоненттер енетiн күрделi материалдарды айтады.

Композициялық материалдардың артықшылықтары: аса берiктiгi, морт сынып бұзылуға қарсылық жасайтын кедерiгiсiнiң жоғарылығы, аса қызуға берiктiгi, серпiмдiлiк модулi және қасиеттерiнiң термиялық тұрақтылығы.

Композициялық материалдардың қасиеттерi компоненттердiң механикалық қасиеттерiне және негiзiнен адгезиялық сипаттағы процестермен анықталатын олардың арасындағы байланыстың берiктiгiне тәуелдi болады.

Металдық композициялық материалдардың негiзi (матрицасы) айтарлықтай пластикалыққа ие болатын таза металл немесе қорытпа болады. Матрица композицияны байланыстырады, оны формаға келтiредi. Матрицада қалған компоненттер (толықтырғыштар) бiр қалыпты таралған. Композициялық материалдарды бекемдеудегi негiзгi рольдi толықтырғыштар атқаратын болғандықтан, оларды көбiнесе бекемдегiштер деп атайды. Бекемдегiштерге тән, оларды көбiнесе бекемдегiштер деп атайды. Бекемдегiштерге қойылатын негiзгi талаптар – серпiмдiлiктiң жоғары модулi, берiктiгi және қаттылығы. Осындай сипаттамалары бойынша толықтырғыш матрицадан едәуiр асып түсуге тиiс. Толықтырғыштың серпiмдiлiк модулi мен берiктiгi артқан сайын композициялық материалдың соған сәйкес келетiн қасиеттерi, бекемдегiштердiң сипаттамасына жете алмаса да, арта түседi. Композициялық материалдардың қасиеттерi де толықтырғыштардың формасына, өлшемдерiне және санына байланысты болады.

Толықтарғыштың формасы бойынша композициялық материалдар талшықты және дисперстi бекемделген материалдарға бөлiнедi. Талшықты материалдарға қиын балқитын қосылыстар мен элементтердiң (Al₂O₃,, SiC, C, B т.б.) талшықтарымен немесе жiп тәрiздi кристалдарымен, сондай-ақ жiңiшке микрондық металдық сымдарымен (W, аса берiк болатпен т.б.) бекемделген композициялық материалдар жатады. Дисперстi бекемделген деп, толықтырғыштардың ролiн тотықтардың, карбидтердiң, боридтердiң, нитридтердiң (Al₂O₃,, SiC т.б.) майда дисперстi қиын балқитын бөлшектерi атқаратын материалдарды айтады.

Талшықты композициялық материалдар алудың негiзi технологиялық әдiсiне бекемдеушi талшыққа матрица ерiтiндiсiн сiңiру, бекемделушi талшыққа электрохимиляық әдiспен немесе плазмалық тозаңдатумен матрица енгiзу (кейiннен престеу), компоненттердiң көп қабатты ленталарын пакеттiк диффузиялық пiсiру және басқалар жатады. Дисперстi бекемделген композициялық материалдар – бетi тотыққан ұнтақтарды iшкi тотықтыру, престеу және жентектеу әдiстерiмен алынады, мысалы, балқытылған матрицаға қиын балқитын бөлшектердi тiкелей енгiзу және басқалар арқылы жентектелген алюминий опасын алған сияқты алынады.

Талшықты материалдарға түсетiн күштi негiзiнен бекемдегiштер қабылдайды, ал матрица кернеудi тасымалдайтын орта қызметiн атқарады. Сондықтан олардың бекемделуi талшықтың берiктiгiне, қалыңдығына және ұзындығына байланысты болады. Талшық неғұрлым жiңiшке әрi ұзынырақ, дәлiрек айтқанда d/l (оның диаметрiнiң ұзындығына қатынасы) неғұрлым аз болса, талшықты материалдардың сипаттамасы соғұрлым жоғары болады. Берiктiктiң бекемдегiштiң мөлшерiне тәуелдiлiгi негiзiнен аддитивтiлiк заңға бағынады. Бекемдегiштiң мөлшерi өте аз (<5%) және жоғары (>80%) болатын композиция бұған қосылмайды. Дисперстi бекемделетiн материалдарға негiзгi түсетiн күштi матрица қабылдайды. Бекемдегiштiң дисперстi бөлшектер пластикалық дефорамцияның дамуына кедергi жасай отырып, дислокацияны нығайтады. Бөлшектер неғұрлым жiңiшке әрi олардың ара қашықтығы неғұрлым аз болса, композициялық материал соғұрлым берiгiрек болады. Оның қызуға берiктiгiне бөлшектердiң матрицада ерiмейтiндiгi және олардың қайта кристалдану процесiне кедергi жасайтын әсерi себепшi болады. Толықтырғыштың мөлшерiн арттарғанда дисперстi бекемделетiн материалдардың берiктiгi мен қызуға берiктiгi экстремальдық тәуелдiлiк бойынша өзгередi. Авиация мен ракета техникасы үшiн ерекше мүдде алюминий және оның қорытпалары негiзiндегi композициялық материалдар болып табылады. Олардың серпiмдiлiк модулi, 500°С температураға дейiнгi берiктiк шегi мен төзiмдiлiгi кәдiмгi алюминий қорытпаларына қарағанда, 2-3 есе жоғары болады. Суретте бордың модулi жоғары үздiксiз талшықтарымен бекемделген алюминий негiзiнде ВКА-1 маркалы композициялық материалдың серпiмдiлiк модулi мен берiктiк шегiнiң сыналу температурасына тәуелдiлiгi, В95 маркалы аса берiк қорытпамен және АК4-1 маркалы қызуға берiк алюминий қорытпасымен салыстырып көрсетiлген.

ВКА-1 маркалы қорытпаның құрамында диаметрi 100мкм, s_В=250-350кгс/мм² және Е=40000кгс/мм² болатын бор талшықтарының 50% болады, бұл – бордың 20⁰С –да s_В=100-120кгс/мм², ал 400⁰С-да s_В=60кгс/мм² (бөлме температурасындағы В95 маркалы қорытпанiкi сияқты) болатындығын қамтамасыз етедi. ВКА-1 маркалы қорытпаның төзiмдiлiк шегi 40-50кгс/мм², ал сонда стандартты алюминий қорытпасының қажу кедергiсi бар болғаны 12-15кгс/мм² болады. 400⁰С – дағы берiктiгiнiң ұзақтығы бойынша (s₄₀₀=40-50кгс/мм² ВКА-1 маркалы қорытпа ең қызуға берiк s_400/100=8,5кгс/мм²) САП-1 маркалы алюминий қорытпасынан 5 есе асып түседi. ВКА-1 маркалы қорытпаның тығыздығы 2,65г/см³ тең, сондықтан оның меншiктi берiктiгi (s_В/g=41) аса берiк болаттар мен титан қорытпаларына қарағанда жоғары болады. Самолет қанатының лонжеронын жасағанда В95 маркалы қорытпаны ВКА-1 маркалы қорытпаның нығайтатын элементтерi бар титан қорытпасына ауыстырса, оның қатаңдығы 2,5%-ға артып, салмағынан 42%-ге жуық үнемделедi.

Талшықты композициялық материалдар үшiн анизотропия қасиеттерi тән. Дисперстi бекемделген қорытпаларда мұндай кемшiлiк болмайды.

Дәріс