金属マトリックスを備えた複合材料。より高温で動作させるには、金属マトリックスが使用されます。
金属製 CM には、ポリマー製 CM に比べて多くの利点があります。 より高い動作温度に加えて、より優れた等方性と動作中の特性のより優れた安定性、およびより高い耐浸食性を特徴としています。
金属マトリックスの可塑性は、構造に必要な粘性を与えます。 これは、局所的な機械的負荷の迅速な均等化に貢献します。
金属 CM の重要な利点は、製造プロセス、成形、熱処理、接合部とコーティングの形成の製造性が高いことです。
金属基複合材料の利点は、マトリックスの特性に応じた特性の値が高いことです。 これらは、まず第一に、強化繊維の軸に垂直な方向の一時抵抗と引張弾性率、圧縮強度と曲げ強度、延性、破壊靱性です。 さらに、金属マトリックス複合材料はその特性を維持します。 強度特性非金属ベースの材料よりも高い温度まで耐えられます。 金属 CM は耐湿性、不燃性、導電性が高く、導電性が高いため、電磁放射や雷から十分に保護され、静電気の危険が軽減されます。 金属 CM の高い熱伝導率は、局所的な過熱を防ぎます。これは、次のような製品にとって特に重要です。 ロケットの先端と翼の前縁.
金属複合材料のマトリックスとして最も有望な材料は、低密度金属（A1、Mg、Ti）およびそれらをベースとした合金であり、現在耐熱合金の主成分として広く使用されているニッケルも挙げられます。
複合材料はさまざまな方法で得られます。 これらには、アルミニウムとマグネシウムの液体溶融物による繊維の束の含浸、プラズマ溶射、およびホットプレス法の使用が含まれ、場合によってはブランクの水圧押出または圧延がその後に続きます。 アルミニウム箔と連続繊維の交互層からなるサンドイッチ型組成物を強化する場合、圧延、ホットプレス、爆発溶接、および拡散溶接が使用されます。 高強度繊維で強化されたロッドやパイプの鋳物は、液体金属相から得られます。 繊維の束は連続的に溶融浴を通過し、圧力下で液体アルミニウムまたはマグネシウムが含浸されます。 含浸浴から出るとき、繊維は結合され、紡糸口金を通過してロッドまたはチューブを形成します。 この方法により、複合材料への繊維の最大限の充填 (最大 85%)、繊維の断面内での均一な分布、およびプロセスの連続性が保証されます。
アルミニウムマトリックス材料。アルミニウムマトリックス材料は主に補強材です 鋼線(CAS)、ボロン繊維 (BKA)、およびカーボン繊維 (VKU)。 工業用アルミニウム (AD1 など) と合金 (AMg6、V95、D20 など) の両方がマトリックスとして使用されます。
マトリックスとして合金 (B95 など) を使用し、熱処理 (硬化および時効) によって強化すると、組成を強化する追加の効果が得られます。 しかし、繊維軸方向ではそれは小さいですが、特性が主にマトリックスの特性によって決定される横方向では、それは 50% に達します。
最も安価で、最も効果的で、入手しやすい補強材は高張力鋼線です。 したがって、直径 0.15 mm (σ in = 3600 MPa) の VNS9 鋼線で工業用アルミニウムを強化すると、繊維体積含有量が 25% の場合は 10 ～ 12 倍、含有量が 25% になると強度が 14 ～ 15 倍増加します。 40%、その後一時的な抵抗はそれぞれ 1000 ～ 1200 MPa と 1450 MPa に達します。 より小さい直径のワイヤを補強に使用する場合、つまり強度が大きい場合 (σ in = 4200 MPa)、複合材料の一時的な抵抗は 1750 MPa まで増加します。 このように、鋼線（25～40％）で強化されたアルミニウムの基本特性は、高強度アルミニウム合金さえも大幅に上回り、チタン合金の相当する特性のレベルに達します。 この場合、組成物の密度は３９００～４８００ｋｇ／ｍ ３ の範囲にある。
より高価な繊維 B、C、A1 2 O e でアルミニウムとその合金を強化すると、複合材料のコストが増加しますが、同時にいくつかの特性がより効果的に改善されます。たとえば、ホウ素繊維で強化すると、弾性率が増加します 3 -4倍、炭素繊維は密度を減らすのに役立ちます。 ホウ素は温度が上昇してもほとんど軟化しないため、ホウ素繊維で強化された組成物は 400 ～ 500 ℃まで高強度を維持します。連続した高強度および高弾性のホウ素繊維 (VKA-1) を 50 vol.% 含む材料が工業用に使用できることが判明しました。応用。 20～500℃の温度範囲における弾性率と一時抵抗の点で、高強度（B95）や高温での動作用に特別に設計された合金（AK4-1）を含むすべての標準アルミニウム合金を上回ります。 それは図に明確に示されています。 13.35。この材料の高い減衰能力により、この材料で作られた構造物の耐振動性が保証されます。 合金の密度は 2650 kg/m 3、比強度は 45 km です。 これは高張力鋼やチタン合金よりも大幅に高いです。
計算によると、航空機の翼桁の製造において、VKA-1 の強化要素を使用して B95 合金をチタン合金に置き換えると、剛性が 45% 向上し、約 42% の軽量化が実現します。
アルミニウムベースの炭素繊維強化複合材料 (CFRP) は、ボロン繊維複合材料よりも安価で軽量です。 そして、強度は後者より劣っていますが、比強度は同等（42 km）です。 しかし、炭素強化剤を使用した複合材料の製造は、加熱時に炭素と金属マトリックスが相互作用し、材料の強度が低下するため、大きな技術的困難を伴います。 この欠点を解消するために、特別なカーボンファイバーコーティングが使用されています。
マグネシウムをマトリックスとした材料。マグネシウムマトリックス (MCM) を含む材料は、アルミニウムよりも密度が低く (1800 ～ 2200 kg/m3)、強度がほぼ同じ 1000 ～ 1200 MPa であるため、比強度が高いという特徴があります。 ホウ素繊維 (50 vol.%) で強化された変形可能なマグネシウム合金 (MA2 など) は、比強度 > 50 km を持っています。 マグネシウムおよびその合金とホウ素繊維の良好な適合性により、一方ではその後の機械的加工をほとんど必要とせずに含浸法を使用して部品を製造することが可能になり、他方では高所での部品の長い耐用年数が確保されます。気温。 これらの材料の比強度は、マトリックスとして軽量のリチウム合金を使用することと、より軽量の炭素繊維を使用することによって増加します。 しかし、前述したように、炭素繊維の導入により、すでにローテク合金の技術が複雑化しています。 知られているように、マグネシウムとその合金は技術的可塑性が低く、緩い酸化膜を形成する傾向があります。
チタンベースの複合材料。チタンベースの複合材料を作成する場合、高温に加熱する必要があるため困難が生じます。 高温ではチタンマトリックスが非常に活性化します。 ガスを吸収し、ホウ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムなどの多くの強化剤と相互作用する能力を獲得します。その結果、反応ゾーンが形成され、繊維自体と複合材料全体の強度が低下します。 さらに、高温は多くの強化材の再結晶化と軟化を引き起こし、強化材の強化効果が減少します。 したがって、チタンマトリックスを含む材料を強化するには、ベリリウム製のワイヤと、高融点酸化物（Al 2 O 3）、炭化物（SiC）、および高弾性率と高い再結晶温度を有する高融点金属（Mo、W）のセラミックファイバーを使用します。 ） 使用されています。 さらに、強化の主な目的は、すでに高い比強度を高めることではなく、弾性率を高め、動作温度を高めることです。 Mo、Be、SiC 繊維で強化されたチタン合金 VT6 (6% A1、4% V、残り A1) の機械的特性、 を表に示します。 13.9。 からわかるように。 表に示すように、炭化ケイ素繊維で強化すると、比剛性が最も効果的に増加します。
VT6 合金をモリブデン ワイヤで強化すると、800 ℃までの高い弾性率値を維持できます。この温度でのその値は 124 GPa に相当し、つまり 33% 減少します。一方、一時的な引張強さは 420 MPa、つまり 420 MPa に減少します。 3回以上。
ニッケル基複合材料. 耐熱性 CM は、ニッケルとコバルトの合金をベースに作られ、セラミック (SiC、Si 3 Ni 4、Al 2 O 3) と炭素繊維で強化されています。 ニッケルベース複合材料 (NBC) を作成する際の主なタスクは、動作温度を 1000 °C 以上に上げることです。 このような高温でも優れた強度を提供できる最良の金属補強材の 1 つはタングステン ワイヤーです。 ニッケル クロム合金に 40 ～ 70 vol.% の量のタングステン ワイヤを導入すると、1100°C で 100 時間、それぞれ 130 MPa と 250 MPa の強度が得られます。また、同様の用途向けに設計された最高の非強化ニッケル合金です。条件では75MPaの強度を持ちます。 補強にレニウムまたはハフニウムを含むタングステン合金で作られたワイヤを使用すると、この数値は 30 ～ 50% 増加します。
複合材料は多くの産業、主に航空、ロケット、宇宙技術で使用されており、強度と剛性を高めながら構造の重量を軽減することが特に重要です。 比強度と剛性が高いという特性により、航空機の水平尾翼やフラップ、ヘリコプターのローターブレードやコンテナ、ジェットエンジンの機体や燃焼室などの製造に使用されています。航空機の構造では、重量が 30 ～ 40% 削減され、速度と航続距離を低下させることなく積載量が増加しました。
現在、複合材料は、パワータービンの構造（タービンの作動およびノズルブレード）、自動車産業（自動車および冷蔵庫の本体、エンジン部品）、機械工学（機械の本体および部品）、化学産業（オートクレーブ、タンク、コンテナ）、 造船（船体、ボート、プロペラ）など。
複合材料の特殊な特性により、複合材料を電気絶縁材料 (有機繊維)、放射線透過性フェアリング (ガラス繊維)、すべり軸受 (炭素繊維) およびその他の部品として使用することが可能になります。
セラミックマトリックスを備えた複合材料。最高の動作温度のために、セラミックがマトリックス材料として使用されます。 ケイ酸塩 (SiO 2)、アルミノケイ酸塩 (Al 2 O 3 - SiO 2)、アルミノホウケイ酸塩 (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2) 材料、耐火性酸化アルミニウム (Al 2 O 3)、ジルコニウムがセラミックマトリックスとして使用されます。 （ZrO 2 ）、ベリリウム（BeO）、窒化ケイ素（Si 3 N 4 ）、ホウ化チタン（TiB 2 ）およびジルコニウム（ZrB 2 ）、炭化ケイ素（SiC）およびチタン（TiC）。 セラミックマトリックスを含む複合材料は、高い融点、酸化、熱衝撃および振動に対する耐性、および圧縮強度を備えています。 金属粉末添加剤を含む炭化物および酸化物をベースとしたセラミック CM (< 50об. %) называются サーメット 。 セラミックCMの補強には、粉末の他にタングステン、モリブデン、ニオブ、耐熱鋼などの金属線や非金属繊維（セラミック、カーボン）が使用されます。 金属ワイヤーを使用することでプラスチックのフレームが形成され、壊れやすいセラミックマトリックスに亀裂が入った際に CM が破壊されるのを防ぎます。 金属繊維で強化されたセラミックCMの欠点は、耐熱性が低いことです。 耐火性酸化物（1000℃まで使用可能）、ホウ化物および窒化物（2000℃まで）、炭化物（2000℃以上）のマトリックスを有するCMは、高い耐熱性を持っています。 セラミック CM が炭化ケイ素繊維で強化されると、セラミック CM とマトリックス間の高い接着強度が達成され、高温での耐酸化性と相まって、高負荷の部品 (高温) の製造に使用できるようになります。ベアリング、シール、ガスタービンエンジンの作動ブレードなど）。 セラミックの主な欠点である延性の欠如は、セラミック内の亀裂の伝播を抑制する強化繊維によってある程度補われます。
カーボンカーボンコンポジット 。 アモルファスカーボンをマトリックス材料として、結晶質カーボン（グラファイト）繊維を強化材として使用することにより、2500℃までの加熱に耐える複合材料を作成することが可能になりました。 このような炭素-炭素複合材料は、宇宙飛行や大気圏横断航空に有望です。カーボンマトリックスの欠点は、酸化とアブレーションの可能性があることです。 これらの現象を防ぐために、複合材料は炭化ケイ素の薄い層でコーティングされています。
物理的および化学的特性が炭素繊維と類似した炭素マトリックスにより、CCCM の熱安定性が確保されます。
炭素-炭素複合材料を製造するために最も広く使用されている方法は次のとおりです。
1. 予備成形された炭素繊維プリフォームのポリマーマトリックスの炭化非酸化環境下での高温熱処理による。
2. 熱分解炭素の気相からの堆積、炭素繊維基材の細孔内の炭化水素の熱分解中に形成されます。
これらの方法には両方とも長所と短所があります。 UKCM作成時 それらはしばしば組み合わされます複合材料に必要な特性を与えます。
ポリマーマトリックスの炭化。炭化プロセスは、非酸化性環境 (不活性ガス、石炭床など) で炭素繊維製品を 1073 K の温度まで熱処理することです。 熱処理の目的は、バインダーをコークスに変えることです。 炭化プロセス中に、質量損失、収縮、多数の細孔の形成を伴うマトリックスの熱破壊が発生し、その結果、複合材料の物理的および機械的特性が低下します。
炭化は抵抗レトルト炉で行われることがほとんどです。 耐熱合金で作られたレトルトは、大気中の酸素による酸化から製品を保護し、バインダーの熱分解による揮発性腐食生成物との接触から発熱体と断熱材を保護し、炉の反応容積の均一な加熱を保証します。
炭化のメカニズムと反応速度は、化学結合の解離速度と、結果として生じるラジカルの再結合速度の比によって決まります。 このプロセスには、蒸発する樹脂状化合物やガス状生成物の除去と、炭素原子が豊富な固体コークスの形成が伴います。 したがって、炭化プロセスでは、温度と時間の条件を選択することが重要です。これにより、バインダーからコークス残留物が最大限に形成されるようになります。これは、炭化複合材の機械的強度がとりわけコークスの量に依存するためです。形成されました。
製品の寸法が大きくなるほど、炭化プロセスにかかる時間も長くなります。 炭化時の昇温速度は1時間あたり数度から数十度で、炭化工程に要する時間は300時間以上となります。 炭化は通常、炭素がグラファイトに転移する温度範囲に相当する 1073 ～ 1773 K の温度範囲で終了します。
CCCM の特性は、コークス残渣を多く生成する合成有機樹脂として使用される初期バインダーの種類に大きく依存します。 ほとんどの場合、フェノールホルムアルデヒド樹脂は製造が容易で低コストで入手可能であり、このプロセスで形成されるコークスは耐久性が高いため、この目的に使用されます。
フェノールホルムアルデヒド樹脂にはいくつかの欠点があります。 硬化時の重縮合の性質と揮発性化合物の放出により、均質で緻密な構造を得るのは困難です。 フェノールホルムアルデヒドバインダーの炭化時の収縮量は、CCCM の製造に使用される他の種類のバインダーよりも大きく、炭化複合材に内部応力が発生し、その物理的および機械的特性が低下します。
フランバインダーはより密度の高いコークスを生成します。 炭化時の収縮が少なく、コークスの強度はフェノールホルムアルデヒド樹脂よりも優れています。 したがって、より複雑な硬化サイクルにもかかわらず、フルフラール、フルフリリデン アセトン、フリル アルコールをベースとしたバインダーも CCCM の製造に使用されます。
石炭および石油ピッチは、炭素含有量が高く (最大 92 ～ 95%)、コークス数が多いため、炭素マトリックスを得るのに非常に有望です。 他のバインダーと比較したピッチの利点は、入手しやすさと低コスト、溶剤を必要としないことです。 技術的プロセス、コークスの黒鉛化性が良好で、密度が高い。 ピッチの欠点としては、著しい多孔性の形成、製品の変形、組成中に発がん性化合物が存在することが挙げられ、追加の安全対策が必要です。
樹脂の熱分解中に揮発性化合物が放出されるため、炭化プラスチックに顕著な多孔性が現れ、CCCM の物理的および機械的特性が低下します。 したがって、炭素繊維の炭化段階では、高強度を必要としない多孔質材料、たとえば断熱目的の低密度 CCCM のみを得るプロセスが完了します。 通常、気孔を除去して密度を高めるために、炭化材料に再度バインダーを含浸させて炭化します (このサイクルを数回繰り返すことができます)。 繰り返しの含浸はオートクレーブ内で「真空加圧」モードで実行されます。つまり、最初にワークピースが真空中で加熱され、その後バインダーが供給され、最大 0.6 ～ 1.0 MPa の過剰な圧力が生成されます。 含浸中はバインダーの溶液と溶融物が使用され、複合材料の多孔率はサイクルごとに減少するため、粘度の低いバインダーを使用する必要があります。 再含浸中の圧縮の程度は、バインダーの種類、コークスの数、製品の気孔率、および細孔充填の程度によって異なります。 含浸を繰り返すと密度が高まるため、材料の強度も高まります。 この方法を使用すると、最大 1800 kg/m 3 以上の密度の CCCM を得ることが可能です。 炭素繊維を炭化する方法は比較的単純で、複雑な設備を必要とせず、得られる製品の材料特性の良好な再現性が保証されます。 ただし、圧縮操作を繰り返す必要があるため、CCCM から製品を取得する時間が大幅に長くなり、コストが増加します。これがこの方法の重大な欠点です。
UKCM を受信すると、 気相から熱分解炭素を析出させる方法炭化水素ガス (メタン、ベンゼン、アセチレンなど) または炭化水素と希釈ガス (不活性ガスまたは水素) の混合物が炭素繊維の多孔質フレームを通って拡散し、そこで高温の影響下で炭化水素の分解が表面で起こります。ファイバーの加熱された表面。 沈殿するパイロカーボンは、繊維間に接続ブリッジを徐々に作成します。 堆積の速度論と得られる熱分解炭素の構造は、温度、ガス流量、圧力、反応量などの多くの要因に依存します。得られる複合材料の特性は、繊維の種類と含有量、および繊維の種類と含有量によっても決まります。強化計画。
堆積プロセスは、誘導炉および抵抗炉内で真空または加圧下で実行されます。
熱分解炭素マトリックスを製造するためのいくつかの技術的方法が開発されています。
等温法ではワークピースは均一に加熱されたチャンバー内に配置されます。 誘導炉内での均一な加熱は、燃料生成要素であるグラファイト製のサセプターの助けを借りて保証されます。 炭化水素ガスは炉の底部から供給され、反応容積とワークピースを通して拡散します。 ガス状の反応生成物は炉の蓋の出口から除去されます。
このプロセスは通常、1173 ～ 1423 K の温度および 130 ～ 2000 kPa の圧力で実行されます。 温度が低下すると、堆積速度が低下し、プロセス時間が過度に長くなります。 温度の上昇により熱分解炭素の堆積が加速されますが、ガスがワークピースの体積内に拡散する時間がなく、表面に熱分解炭素の層が形成されます。 このプロセスには何百時間もかかります。
等温法は通常、薄肉部品の製造に使用されます。この場合、製品の表面近くにある細孔が主に充填されるからです。
細孔の体積飽和と厚肉製品の製造に使用されます。 非等温法、 これは、ワークピースを加熱したマンドレルまたはコア上に置くか、電流で直接加熱することにより、ワークピース内に温度勾配を作成することにあります。 炭化水素ガスは温度の低い側から供給される。 炉内の圧力は通常大気圧と同じです。 その結果、最も高温のゾーンで熱分解炭素の堆積が発生します。 表面上を高速で流れるガスの冷却効果は、温度勾配を実現する主な方法です。
複合材料の密度と熱伝導率の増加は、堆積温度フロントの移動をもたらし、最終的に材料の体積圧縮と高密度 (1700 ～ 1800 kg/m3) の製品の生産を確実にします。
パイロカーボンマトリックスを使用して CCCM を製造するための等温法は、次の利点によって特徴付けられます。 特性の再現性が良い。 技術設計の単純さ。 マトリックスの高密度および良好な黒鉛化性。 複数の製品を同時に処理する能力。
欠点としては、次のものが挙げられます。 堆積速度が遅い。 熱分解炭素の表面堆積。 大きな毛穴の充填が不十分。
非等温法には次の利点があります。高い堆積速度。 大きな毛穴を埋める可能性。 製品の容積シール。
その欠点は次のとおりです。ハードウェア設計が複雑です。 1 つの製品のみが処理されます。 マトリックスの密度と黒鉛化性が不十分である。 微小亀裂の形成。
3.4.4. CCCMの高温熱処理（黒鉛化）。気相から圧縮した後の炭化プラスチックおよび熱分解炭素マトリックスを含む複合材料の構造は不完全です。 炭素マトリックスの規則性の程度を特徴付ける層間距離 d002 は比較的大きく、3.44・10 4 μm 以上で、結晶サイズは比較的小さく、通常は 5・10 -3 μm 以下であり、これは典型的なものです。炭素の基本層の二次元配列。 さらに、製造プロセス中に内部応力が発生する可能性があり、これらの材料を炭化または熱分解炭素の堆積温度を超える温度で使用すると、製品の構造に変形や歪みが生じる可能性があります。 したがって、より熱的に安定な材料を得る必要がある場合には、高温処理が行われます。 最終的な熱処理温度は動作条件によって決まりますが、3273 K を超える温度で集中的に起こる材料の昇華によって制限されます。熱処理は、非酸化環境 (グラファイト バックフィル、グラファイト バックフィル、真空、不活性ガス）。 高温熱処理中のカーボン - カーボン材料の特性の変化は、フィラーとマトリックスの種類、熱処理の最終温度と時間、媒体の種類とその圧力などの多くの要因によって決まります。 高温では、炭素材料のエネルギー障壁が克服され、多核化合物の移動、それらの結合、およびより大きな圧縮による相互の再配向が妨げられます。
これらのプロセスの継続時間は短く、変換の程度は主に温度によって決まります。 したがって、高温熱処理プロセスの時間は、炭化またはパイロカーボンの堆積の場合よりもはるかに短く、通常は数時間に達します。 炭化プラスチックの高温熱処理中に、製品の不可逆的な変形と徐々に欠陥が「治癒」します。 2473 K を超える温度でのピッチに基づく十分に黒鉛化された材料の場合、黒鉛構造への転移に至るまで、三次元的に秩序化された炭素微結晶の集中的な成長が観察されます。 同時に、黒鉛化が不十分なポリマーバインダーをベースにした炭化プラスチックでは、構造欠陥が 3273 K まで持続し、材料は非黒鉛化構造形態のままになります。
繊維状複合金属材料。
共晶複合金属材料。
焼結により形成された複合金属材料。
金属マトリックス上に分散強化された材料。
金属マトリックス上の複合材料。
講義その2
積層強化プラスチック
テクストライト– 熱硬化性合成樹脂を含浸させた生地の層から形成された材料。
重複したヘッド– ポリエチレン、ポリプロピレン、その他の熱可塑性プラスチックのシートで構成され、布地、耐薬品性ゴム、不織布繊維材料などをベースとした下層で接続された層状材料。
リノリウム– ポリマー ロール素材床材用 - アルキド樹脂、ポリ塩化ビニル、合成ゴム、その他のポリマーを含む多層または布地ベースの CPM です。
ゲティナックス– 熱硬化性合成樹脂を含浸させた紙をベースとしたラミネートプラスチック。
金属-プラスチック– 片面または両面をポリエチレン、フッ素樹脂、またはポリ塩化ビニルのポリマーコーティングでコーティングした金属シートからなる構造材料。
木材積層板– 合成熱硬化性樹脂を含浸させた木製ブランク（ベニヤ）を「ホット」プレスして得られる材料。
テーマ: 「金属マトリックス上の複合材料」
KMM の命名法は、3 つの主要なグループに分類されます。1) 粉末冶金によって製造された擬似合金を含む、粒子で強化された分散強化材料。 2) 共晶複合材料 - 共晶構造の方向性結晶化を伴う合金。 3) 個別または連続繊維で強化された繊維材料。
分散強化材
サイズが 1 ～ 100 nm の強化相の粒子が CMM の金属マトリックスに分散し、複合材料の体積の 1 ～ 15% を占める場合、マトリックスは加えられる機械的負荷の大部分を吸収します。 CMM に影響を与え、粒子の役割は、マトリックス材料内の転位の動きに対する効果的な抵抗を生み出すことに縮小されます。 このような CMM は温度安定性が向上するという特徴があり、その結果、温度 (0.7 ～ 0.8) まで強度が実質的に低下しません。 Tどこで T pl – マトリックスの融解温度。 このタイプの材料は、焼結材料と擬似材料の 2 つのグループに分類されます。
焼結によって形成された材料には、酸化物、炭化物、窒化物、その他の耐火性化合物の微細に分散した粒子や金属間化合物が含まれており、これらは CMM の形成中にマトリックスに溶けたり溶解したりしません。 このような CMM から製品を形成する技術は粉末冶金の分野に属し、粉末混合物を取得し、それを金型内でプレスし、得られた半製品を焼結し、ワークピースを変形および熱処理する作業が含まれます。
アルミニウムマトリックス材料。 用途が見つかったアルミニウムマトリックスを備えた CM は、主に鋼線、ホウ素、炭素繊維で強化されており、工業用アルミニウム (AD1 など) と合金 (B95、D20 など) の両方がマトリックスとして使用されます。
分散硬化鋼強化成分として酸化物が含まれています：Al 2 O 3、TiO 2、ZrO 2 など。
コバルトマトリックス上の KMM分散添加剤として酸化トリウムが含まれており、 マグネシウムマトリックス– 独自の酸化物。
銅系材料酸化物、炭化物、窒化物で強化された銅マトリックスの高い導電性と相まって耐熱性が得られます。 このような CMM は、電気接点、ローラー溶接用の電極、放電加工用ツールなどの製造に使用されます。
ニッケル基KMM酸化トリウムと酸化ハフニウムが充填されており、1000℃を超える温度で動作するように設計されており、航空機の製造、電力工学、宇宙技術で使用されています。
擬似合金は分散強化された CMM であり、溶液を形成せず、化合物に入り込まない金属および金属様相で構成されています。 擬似合金を形成する技術は粉末冶金の分野に属します。 擬似合金を製造するための最終操作は、金型の含浸または液相焼結です。
含浸は、耐火部品の成形品または焼結ワークピースの細孔を、擬似合金の低融点部品の溶融物で充填することから構成されます。 含浸は、多孔質ワークピースを溶融物に浸漬することによって実行されます。
疑似合金の範囲には、主に摩擦技術目的の材料が含まれます。
タングステンベースの擬似合金 W – Cu および W – Ag は、高い硬度、強度、導電性を兼ね備えています。 電気接点を作るために使用されます。 モリブデン（Mo – Cu）やニッケル（Ni – Ag）などをベースとした擬似合金も同じ目的を持っています。
共晶CMMは、共晶または同様の組成の合金であり、強化相は金属マトリックスの方向性結晶化中に形成される配向した繊維状または層状結晶です。
共晶 CMM を形成する技術は、サンプルを溶融物から一定の速度で引き抜き、継続的に冷却することです。 結晶化フロントの形状は、晶析装置の構造要素によって制御される延伸速度と熱交換条件に依存します。
繊維状の素材。 繊維状 CMM を形成する技術には、プレス、ローリング、共延伸、押出、溶接、スプレーまたは蒸着、および含浸の方法が含まれます。
「ホット」プレス (加熱しながらプレス) では CMM が製造されます。CMM の初期マトリックス材料は粉末、箔、テープ、シート、その他の金属半製品です。 これらと強化要素（ワイヤー、セラミック、カーボン、その他の繊維）をプレスプレートまたは金型に一定の順序で配置し、空気中または不活性雰囲気中で加熱してプレスします。
同じ部品は、プレス加工と同様に圧延加工でも加工されます。
目地の描画方法は次のとおりです。 マトリックス金属ワークに穴を開け、そこに鉄筋やワイヤーを挿入します。 ワークを加熱・圧縮・絞り加工し、焼鈍して完成します。
押出法では、連続繊維と個別繊維で強化されたロッドまたはパイプの形の製品が製造されます。 マトリックスの出発原料は金属粉末であり、
繊維状 CMM の範囲には、アルミニウム、マグネシウム、チタン、銅、ニッケル、コバルトなどで作られたマトリックス上の多くの材料が含まれています。
このタイプの複合材料には、酸化アルミニウムの分散粒子でアルミニウムを強化した SAP (焼結アルミニウム粉末) などの材料が含まれます。 アルミニウム粉末は、溶融金属を噴霧した後、酸素の存在下でボールミルで約 1 ミクロンのサイズに粉砕することによって得られます。 粉砕時間が長くなると、粉末は細かくなり、酸化アルミニウムの含有量が増加します。 SAP の製品および半製品を製造するためのさらなる技術には、追加の熱処理を施すことができる最終製品の形で焼結アルミニウムビレットを冷間プレス、予備焼結、ホットプレス、圧延または押出成形することが含まれます。
SAP タイプの合金は、航空技術において、比強度と耐食性が高く、最大 300 ～ 500 °C の温度で動作する部品の製造に使用されています。 これらは、ピストンロッド、コンプレッサーブレード、燃料要素のシェル、および熱交換器パイプの製造に使用されます。
アルミニウムとその合金を鋼線で強化すると、強度が増し、弾性率、耐疲労性が向上し、材料の耐用年数の温度範囲が広がります。
短繊維による強化は粉末冶金法を使用して実行され、ブランクのプレスとそれに続く水圧押出または圧延で構成されます。 アルミニウム箔と連続繊維の交互層からなるサンドイッチ型組成物を強化する場合、圧延、ホットプレス、爆発溶接、および拡散溶接が使用されます。
非常に有望な材料は、ベリリウム強化材の高い物理的および機械的特性、そしてまずその低密度と高い比剛性を実現する「アルミニウム - ベリリウム線」という組成です。 ベリリウムワイヤを含む組成物は、ベリリウムワイヤとマトリックスシートの交互層のパッケージを拡散溶接することによって得られます。 鋼線とベリリウム線で強化されたアルミニウム合金は、ロケットの本体部品や燃料タンクの製造に使用されます。
アルミニウム - 炭素繊維組成物では、低密度強化材とマトリックスの組み合わせにより、高い比強度と剛性を備えた複合材料を作成することが可能になります。 不利益 カーボンファイバー脆弱性と高い反応性です。 アルミニウム-炭素組成物は、液体金属または粉末冶金法を用いて炭素繊維を含浸させることによって得られます。 技術的にこれを行う最も簡単な方法は、溶融アルミニウムを通して炭素繊維の束を引き出すことです。
アルミニウムと炭素の複合材料は、現代の戦闘機の燃料タンクの構造に使用されています。 材料の比強度と剛性が高いため、燃料タンクの重量が大幅に軽減されます。
30％。 この材料は、航空機のガスタービンエンジンのタービンブレードの製造にも使用されます。
一般的な特徴と分類
従来使用されてきた金属および非金属材料は、その構造強度の限界にほぼ達しています。 同時に、現代の技術の発展には、力と温度の場の複雑な組み合わせの中で確実に機能する材料の作成が必要です。 攻撃的な環境、放射線、深真空、高圧。 多くの場合、材料の要件は矛盾することがあります。 この問題は複合材料を使用することで解決できます。
複合材料(CM) または複合材料は、特性が大きく異なる相互に不溶性の成分からなる三次元不均一系であり、その構造により、それぞれの利点を活かすことができます。
人間は自然から CM を構築する原理を借用しました。 典型的な複合材料は、木の幹、植物の茎、人間や動物の骨です。
CM を使用すると、高い比強度と剛性、耐熱性、耐摩耗性、熱遮蔽特性など、異質な特性を任意に組み合わせることができます。CM のさまざまな特性は、従来の材料では得られません。 これらを使用すると、これまで不可能だった根本的に新しいデザインを作成できるようになります。
CM のおかげで、エンジン出力の増加、機械や構造物の重量の軽減、車両や航空宇宙車両の重量効率の向上において、新たな質的飛躍が可能になりました。
このような条件下で動作する材料の重要な特性は、比強度 σ in /ρ と比剛性です。 E/ρ、ここで σ in は一時的な抵抗値、 E- 通常の弾性率、ρ - 材料の密度。
一般に、高強度合金は延性が低く、応力集中に対する感度が高く、疲労亀裂の発生に対する耐性が比較的低いです。 複合材料も延性が低い場合がありますが、応力上昇の影響を受けにくく、疲労破壊に対する耐性が優れています。 これは、高張力鋼および合金における亀裂形成のさまざまなメカニズムによって説明されます。 高張力鋼では、亀裂は臨界サイズに達すると、その後進行的な速度で進展します。
複合材料では異なるメカニズムが機能します。 マトリックス内を移動する亀裂は、マトリックスと繊維の界面で障害物に遭遇します。 繊維は亀裂の発生を抑制し、プラスチックマトリックス中に繊維が存在することで破壊靱性が向上します。
したがって、複合システムは、構造材料に必要な 2 つの相反する特性、つまり高強度繊維による高強度と、プラスチック マトリックスおよび破壊エネルギーの散逸メカニズムによる十分な破壊靱性を組み合わせています。
CM は、比較的プラスチックのマトリックスベース材料と、より硬く耐久性のあるコンポーネントであるフィラーで構成されています。 CM の特性は、ベース、フィラーの特性、およびそれらの間の結合の強さに依存します。
マトリックスは組成物を結合してモノリスにし、形状を与え、外部荷重をフィラー補強材に伝達する役割を果たします。 基材に応じて、CM は金属マトリックスまたは金属複合材料 (MCM)、ポリマー - ポリマー複合材料 (PCM)、およびセラミック - セラミック複合材料 (CCM) で区別されます。
CM強化の主役はフィラーと呼ばれるフィラーです。 強化者。 高い強度、硬度、弾性率を持っています。 強化フィラーの種類に基づいて、CM は次のように分類されます。 分散強化,繊維状のそして 層状の(図28.2)。
米。 28.2。複合材料の構造スキーム: あ）分散が強化される。 b）繊維質。 V) レイヤード
炭化物、酸化物、窒化物などの小さく均一に分布した耐火物粒子が分散強化された CM に人工的に導入されます。この粒子はマトリックスと相互作用せず、相の溶融温度までマトリックスに溶解しません。 フィラー粒子が小さく、フィラー粒子間の距離が小さいほど、CM は強くなります。 繊維状のものとは異なり、分散強化された CM では、主な耐荷重要素はマトリックスです。 分散したフィラー粒子の集合体は、荷重がかかった際の転位の動きに抵抗することで材料を強化し、塑性変形をより困難にします。 転位の移動に対する効果的な抵抗はマトリックスの溶融温度まで生成され、これにより分散強化された CM は高い耐熱性と耐クリープ性を備えています。
繊維複合材料の補強材には、糸、テープ、さまざまな織りのメッシュなど、さまざまな形状の繊維を使用できます。 繊維状 CM の強化は、一軸、二軸、三軸スキームに従って実行できます (図 28.3、 あ).
このような材料の強度と剛性は、主な荷重に耐える強化繊維の特性によって決まります。 強化すると強度が大幅に向上しますが、分散強化の方が技術的に実装が容易です。
層状複合材料 (図 28.3、 b）は、フィラーとマトリックス材料の交互層で構成されています（「サンドイッチ」タイプ）。 このような CM のフィラー層は、異なる方向を向いている場合があります。 異なる機械的特性を持つ異なる材料で作られた充填材の層を交互に使用することが可能です。 層状の組成物には、通常、非金属材料が使用されます。
米。 28.3。繊維強化スキーム ( あ) とレイヤード ( b） 複合材料
分散再強化複合材料
分散強化中、粒子はマトリックス内の滑りプロセスをブロックします。 硬化の有効性は、マトリックスとの相互作用が最小限であれば、粒子の種類、その体積濃度、およびマトリックス内の分布の均一性に依存します。 Al 2 O 3 、SiO 2 、BN、SiCなどの低密度で高弾性率の耐火物相の分散粒子が使用されます。 CM は通常、粉末冶金によって製造されます。その重要な利点は、さまざまな方向での特性が等方性であることです。
産業界では、分散強化された CM は通常アルミニウムベースで使用されますが、それほど一般的ではありませんがニッケルベースでも使用されます。 このタイプの複合材料の代表的な材料は、酸化アルミニウムの分散粒子によって強化されたアルミニウム マトリックスからなる SAP (焼結アルミニウム粉末) などの材料です。 アルミニウム粉末は、溶融金属を噴霧した後、酸素の存在下でボールミルで約 1 ミクロンのサイズに粉砕することによって得られます。 粉砕時間が長くなると、粉末は細かくなり、酸化アルミニウムの含有量が増加します。 SAP の製品および半製品を製造するためのさらなる技術には、追加の熱処理を施すことができる最終製品の形で焼結アルミニウムビレットを冷間プレス、予備焼結、ホットプレス、圧延または押出成形することが含まれます。
SAP タイプの合金は高温状態でも十分に変形し、6 ～ 9% の Al 2 O 3 を含む合金は室温でも十分に変形します。 これらから冷間引抜きを使用して、厚さ 0.03 mm までの箔を製造できます。 これらの材料は切断が容易であり、高い耐食性を備えています。
ロシアで使用される SAP グレードには 6 ～ 23% の Al 2 O 3 が含まれています。 含有量が 6 ～ 9 の SAP-1、9 ～ 13 の SAP-2、13 ～ 18% の Al 2 O 3 を含む SAP-3 があります。 酸化アルミニウムの体積濃度が増加すると、複合材料の強度が増加します。 室温での SAP-1 の強度特性は次のとおりです。σ in = 280 MPa、σ 0.2 = 220 MPa。 SAP-3 は次のとおりです: σ in = 420 MPa、σ 0.2 = 340 MPa。
SAP などの材料は耐熱性が高く、あらゆる鍛造アルミニウム合金よりも優れています。 500 °C の温度でも、その σ は少なくとも 60 ～ 110 MPa です。 耐熱性は、再結晶過程における分散粒子の抑制効果によって説明されます。 SAP タイプの合金の強度特性は非常に安定しています。 SAP-3 タイプ合金の 2 年間にわたる長期強度試験では、室温および 500 °C に加熱した場合の両方で特性レベルに実質的に影響はありませんでした。 400 °C では、SAP の強度は、老化したアルミニウム合金の強度より 5 倍高くなります。
SAP タイプの合金は、航空技術において、比強度と耐食性が高く、最大 300 ～ 500 °C の温度で動作する部品の製造に使用されています。 ピストンロッド、コンプレッサーブレード、燃料要素のシェル、および熱交換器パイプはそれらから作られます。
CM は、炭化ケイ素 SiC の分散粒子を使用した粉末冶金を使用して製造されます。 化合物 SiC は、高い融点 (2650 °C 以上)、高強度 (約 2000 MPa) と弾性率 (> 450 GPa)、低密度 (3200 kg/m3)、優れた耐食性など、多くの優れた特性を備えています。 。 研磨用シリコン粉末の製造は業界によって習得されています。
アルミニウム合金とSiCの粉末を混合し、低圧下で予備圧縮し、次にスチール容器内で真空中、マトリックス合金の溶融温度、つまり固液状態でホットプレスします。 得られたワークピースは、シート、ロッド、プロファイルなど、必要な形状とサイズの半製品を得るために二次変形を受けます。