Композиционные материалы с нуль-мерными наполнителями

В композиционных материалах этого типа наибольшее распространение получила металлическая матрица из металла или сплава. Композиции на ме­таллической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсны­ми частицами различной зернистости: микроскопические с диаметром час­тицы d = 0,01—0,1 мкм; мелкие с диаметром частицы d= 1—50 мкм.

Композиционные материалы с равномерным распределением частиц упрочнителя отличаются изотропностью свойств.

Получают композиции, армированные дисперсными частицами, чаще методами поршковой металлургии, включающей следующие этапы:

• получение порошковой смеси матричного металла и упрочнителя (рассев по­рошков на фракции, смешивание порошков в смесителях различных систем);

• прессование порошка в компактную заготовку в стальных матрицах (изостатическое прессование) с последующим спеканием.

На стадиях прессования и последующей деформационной и термиче­ской обработки в полуфабрикате формируется оптимальная, устойчивая дис­локационная структура. Дисперсные частицы наполнителя способствуют образованию зерен с большой степенью неравноосности (волокнистой структуры) и задерживают протекание рекристаллизационных процессов.

В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные час­тицы армирующего наполнителя препятствуют развитию пластической дефор­мации, оказывая сопротивление движению как единичных дислокаций, так и дислокационных образований (субграниц, границ зерен). Эффективное упрочне­ние достигается при содержании 5—10% (об.) частиц упрочняющего вещества.

На уровень прочности композиций оказывают влияние объемное содер­жание частиц упрочнителя, степень дисперсности и расстояние между час­тицами. Сопротивление увеличивается с уменьшением расстояния между частицами согласно формуле Орована:

Gb

^а=Т'

где G — модуль сдвига материала матрицы; Ъ — межатомное расстояние; / — расстояние между частицами упрочнителя.

Армирующими наполнителями чаще служат дисперсные частицы туго­плавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов (А1₂0₃, Th0₂, НЮ₂, BN, SiC, Ве₂С и др.). Эти тугоплавкие соединения имеют высокие значения модуля упругости, низкую плотность, значительную инертность в отношении мате­риала матриц. Так, например, модуль упругости оксидов Th0₂ и А1₂0₃ равен 380,5-Ю³ и 146,12-Ю³ МПа, а плотность — 1,0 и 3,97 г/см³ соответственно.

Кроме метода порошковой металлургии существуют и другие техноло­гии получения дисперсионно-упрочненных композиционных материалов. Например, вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава. Улучшения смачивания частиц жидким металлом и равномерно­го распределения их в матрице достигают в этом случае ультразвуковой об­работкой расплава или другими способами. Равномерное распределение уп­рочняющей фазы по объему композиции чаще все же достигается примене­нием твердофазных методов.