Волокнисті композиційні матеріали

Волокнисті композиційні матеріали складаються з матриці, у якій рівномірно розташовані компоненти у вигляді волокон-дротів із металів та сплавів (наприклад, Mo, W, Be), ниткуватих кристалів, "вусів" з чистих елементів та тугоплавких сполук (наприклад, B, C, Al₂O₃, SiC). Для армування КМ використовують безперервні та дискретні волокна діаметром від часток до сотень мікрометрів. Теоретичні розрахунки, які підтверджуються практичними даними, свідчать про те, що чим більше відношення довжини волокна до діаметра, тим вищий ступінь зміцнення КМ.

У волокнистих матеріалах армуючі компоненти скріплені за допомогою матриці та є несучими, при цьому визначають міцність усієї композиції. Матриця передає навантаження на волокна та перерозподіляє напруження. Крім того, вона захищає волокна від окиснення та механічного руйнування. Як матриці металевих КМ використовують метали: алюміній, магній і титан, жароміцний нікель та сплави на їх основі; для неметалевих КМ – полімерні, вуглецеві та керамічні матеріали.

До перспективних технологій формування металевих волокнистих КМ слід віднести: гаряче пресування, прокатку, екструзію, напилення, осаджування, просочування, одночасну витяжку. При виготовленні деталей із КМ волокна орієнтують таким чином, щоб з максимальною вигодою використовувати їх властивості з урахуванням навантажень, які діють у конструкціях.

Міцність КМ у значній мірі залежить від міцності зчеплення волокон з матрицею. При цьому між матрицею та волокнами можливі такі види зв’язку:

механічний зв'язок, який виникає завдяки зчепленню нерівностей поверхні матриці та волокна, а також дії тертя між ними. Композиційні матеріали з механічним типом зв’язку (наприклад, матеріали системи Cu–W) мають низьку міцність при поперечному розтягуванні та повздовжньому стисканні;

зв’язок, забезпечений силами поверхневого натягу при просочуванні волокон рідкою матрицею, який виникає в результаті змочування та невеликого розчинення компонентів (наприклад, у системі Mg–B при 400 °С);

реакційний зв'язок, обумовлений хімічною взаємодією компонентів на поверхні поділу (спостерігається в системах Tі–B та Ti–SiC), в результаті чого утворюються нові хімічні сполук (TiB₂, Ti₅Si₃);

обмінно-реакційний зв'язок, який виникає під час перебігу двох або більше стадійних хімічних реакцій. Наприклад, алюміній із твердого розчину матриці титанового сплаву утворює з борним волокном сполуку AlB₂, яка потім вступає в реакцію з титаном, утворюючи TiB₂ та твердий розчин алюмінію;

оксидний зв'язок, який виникає на границі поділу металевої матриці та оксидного наповнювача (є характерним для системи Ni–Al₂O₃) завдяки утворенню складних оксидів типу шпінелі;

змішаний зв'язок, який реалізовується при руйнуванні оксидних плівок та виникненні хімічної та дифузійної взаємодії компонентів (прикладом є системи Al–B, Al–сталь).

Зв'язок між компонентами у волокнистих КМ на неметалевій основі здійснюється за допомогою адгезії. Низькою роботою адгезії до матриці характеризуються високоміцні борні, вуглецеві та керамічні волокна. Поліпшення зчеплення досягається через травлення та поверхневу обробку волокон.

Підвищенню зсувних та міцнісних характеристик КМ сприяє введення до композиції ниткоподібних кристалів діаметром 1…10 мкм та відношенням їх довжини до діаметра менше ніж 1000, які отримали назву віскерів. Віскери (від англ. whisker – волосся, шерсть, "вуса", неорганічні волокна) є одним з найбільш перспективних кристалічних матеріалів з унікальним комплексом властивостей. Вони, як правило, мають ідеальну бездислокаційну будову, що виключає звичайні механізми пластичної деформації та наближує їх міцність до теоретичної для даної речовини. Віскери в десятки та сотні разів є міцнішими, ніж звичайні кристали, вони характеризуються гнучкістю, корозійною стійкістю та кристалографічною анізотропією властивостей. Одержання "вусів" надчистих металів, алмазу, ниткоподібних кристалів кремнію, SiC та надпровідних кристалів Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ стало класикою сучасної хімії матеріалів та є перспективним напрямком створення нових композиційних матеріалів для мікроелектроніки, медицини та екології.

Міцність зчеплення між волокнами та матрицею у волокнистих композиційних матеріалах залежить від їх механічної сумісності, яка, в свою чергу, залежить від різниці у пластичних властивостях, у коефіцієнтах Пуассона та лінійного розширення, модулях пружності. Механічна несумісність призводить до виникнення залишкових напружень на границях поділу фаз, які при досягненні критичного значення викликають порушення зв’язку між компонентами. Тимчасовий опір волокон та композиційного матеріалу в цілому також може знижуватися внаслідок хімічної взаємодії компонентів. Так, наприклад, борні волокна в діапазоні температур 899…951 °С взаємодіють з титаном, а при 496 °С – з алюмінієвою матрицею; карбідокремнієві волокна теж утрачають свої експлуатаційні властивості при взаємодії з алюмінієм унаслідок утворення дифузійної зони. Як дифузійний бар’єр на поверхню SiC-волокна може бути нанесено покриття з WC, TaC, HfC, TiC, що сприяє можливості експлуатації цього виду волокон без утрати міцності при температурах 1000…1100 °С протягом сотень годин.

Волокнисті КМ мають достатньо широкий діапазон використання: від тепло- та звукоізолюючих конструкцій до жаростійких та ущільнювальних елементів у ракетній техніці.