Металломатричные композиционные материалы
Металломатричные композиционные материалы – это композиты, в которых матрицей является металл или металлический сплав.
Металломатричные композиты делятся на:
- Дисперсно-упрочненные композиты, которые наполнены тонкодисперсными частицами, не растворяющимися в основном металле.
- Волокнистые композиты.
Металломатричные волокнистые композиты имеют два основных преимущества по сравнению с композитами с полимерной матрицей. Во-первых, композиты с металлической матрицей могут использоваться при существенно более высоких температурах, чем композиты с полимерной матрицей. Второе их преимущество определено возможностью сокращения массы стыковочных составляющих конструкций благодаря большей прочности металлической матрицы по сравнению с полимерной, а также технологичностью обработки композитов с данной матрицей - возможность использования резьбовых соединений и т. п.
Волокна металломатричных композитов несут основную нагрузку, в данном случае длина передачи нагрузки в данных композитах значительно меньше соответствующей длины в полимерных композита, что положительно сказывается на прочностных свойствах. В некоторых случаях взаимодействие матрицы и волокна способствует увеличению эффективной прочности волокна, в результате чего реальная прочность волокна получается выше, чем прочность, полученная при использовании результатов испытаний отдельных волокон. Все это делает волокнистые композиты с металлической матрицей перспективным материалом. Особенность металломатричных композитов с пластичной металлической матрицей заключается в возможности разработки структур с хрупкими волокнами, трещиностойкость которых выше, чем у композитов с неармированной матрицей.
Типичным представителем металломатричных композитов являются углеалюминий, бороалюминий, композиты с оксидными волокнами в матрице на основе никеля, также композиты с волокнами карбида кремния в титановой или титан-алюминидной матрице. В дисперсно-упрочненных материалах, в отличии от волокнистых композитов, матрица является несущей нагрузкой составляющей, а дисперсные частицы тормозят передвижение дислокаций, что способствует увеличению прочности и предела текучести материала. Дисперсно-упрочненные композиты получаются на основе большинства металлов и сплавов, которые используются в технике.
Бороалюминий или борное волокно – это конструкционное волокно, которое получается посредством осаждения бора на непрерывную тонкую алюминиевую нить или проволоку.
Металломатричные композиционные материалы используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Технологии получения металломатричных композиционных материалов на основе алюминиевой матрицы
Существует ряд технологий, которые позволяют получать металломатричные материалы на основе алюминиевой матрицы. К таким технологиям можно отнести:
- Упрочнение алюминиевой матрицы собственными оксидами (спеченный алюминиевый порошок, содержащий от 6 до 22 % оксида алюминия).
- Смешение оксидов.
Сегодня особый интерес представляют композиты на основе однородной алюминиевой матрицы с керамическими упрочняющими фазами типа карбид кремния, карбид титана или борид титана. Карбид титана обладает уникальными свойствами: высокий модуль пластичности, высокая прочность, низкая плотность. У карбида титана кубическая гранецентрированная решетка, которая совпадает с решеткой а-алюминия (ее размер отличается всего на 6,9 %). Поэтому соблюдается принцип размерного и структурного соответствия по Данкову - при охлаждении карбида титана, его частицы с высокой температурой плавления - 3433 градусов по Кельвину, могут быть центрами кристаллизации для алюминиевых сплавов. Данные частицы также могут формировать барьеры на пути растущих кристаллов алюминиевых сплавов.
Традиционные способы получения металломатричных материалов на основе матрицы алюминия состоят, как минимум, из двух стадий: первая стадия - синтез порошковых упрочняющих фаз, вторая стадия - механическое введения в расплав алюминия тонкодисперсных порошковых упрочняющих фаз. Для получения композиционного сплава наиболее приемлемы методы, которые позволяют вводить упрочняющие частицы прямо в расплав. Например, введение дисперсного керамического порошка должно обеспечивать: получение равномерно распределения частиц в матрице, исключение дробления и растворения вводимых частиц, получение хорошей усвояемости. получение хорошей степени сцепления между керамическими частицами и матрицей и т. п.
Расплав – это жидкое расплавленное состояние вещества при температурах в определенных границах, которые удалены от критической температуры и находятся между температурами плавления и кипения.
Основное условие получения композиционного металломатричного материала на основе алюминиевой матрицы - смачивание наполнителя жидким металлом, но при этом не должно происходить возникновение химического взаимодействия.
