Kompozitní materiály se skládají z kovové matrice(obvykle A1, Mg, Ni a jejich slitiny), tvrzené vysokopevnostními vlákny (vláknité materiály) nebo jemně rozptýlenými žáruvzdornými částicemi, nerozpustný v základním kovu (disperze zpevněné materiály). Kovová matrice váže vlákna (dispergované částice) do jediného celku. Vláknina (dispergované částice) plus hromada (matrice), která to tvoří
Rýže. jeden
1 - zrnitý (disperze zpevněný) materiál (l/d-Já): 2 - diskrétní vláknitý kompozitní materiál; 3 - spojitě vláknitý kompozitní materiál; 4 - kontinuální kladení vláken; 5 - dvourozměrné stohování vláken; 6,7 - objemové pokládání vláken
nebo jiné složení, dostal jméno kompozitní materiály(obr. 196).
Vláknité kompozitní materiály.
Na Obr. 196 ukazuje schéma vyztužení vláknitých kompozitních materiálů. Kompozitní materiály s vláknitým plnivem (zesilovačem) se dělí na diskrétní, u kterých je poměr délky vlákna k průměru l/d ≈ 10-tL03, a s vláknem kontinuálním, kde l/d = co. Diskrétní vlákna jsou v matrici uspořádána náhodně. Průměr vláken je od zlomků po stovky mikrometrů. Čím větší je poměr délky k průměru vlákna, tím vyšší je stupeň zpevnění.
Kompozitní materiál je často vrstvená struktura, ve které je každá vrstva vyztužena velký počet paralelní kontinuální vlákna. Každá vrstva může být také vyztužena souvislými vlákny vetkanými do tkaniny, která má původní tvar, odpovídající šířkou a délkou finálnímu materiálu. Není neobvyklé, že vlákna jsou tkaná do trojrozměrných struktur.
Kompozitní materiály se od běžných slitin liší vyššími hodnotami pevnosti v tahu a mezí únosnosti (o 50-100%), modulem pružnosti, koeficientem tuhosti (Ely) a snížená náchylnost k praskání. Použití kompozitních materiálů zvyšuje tuhost konstrukce a zároveň snižuje její spotřebu kovu.
Tabulka 44
Mechanické vlastnosti kompozitních materiálů na kovová základna
Pevnost kompozitních (vláknitých) materiálů je dána vlastnostmi vláken; matrice by měla především redistribuovat napětí mezi výztužné prvky. Proto musí být pevnost a modul pružnosti vláken výrazně větší než pevnost a modul pružnosti matrice. Tuhá výztužná vlákna vnímají pnutí vznikající ve složení při zatížení, dodávají jí pevnost a tuhost ve směru orientace vlákna.
Pro zpevnění hliníku, hořčíku a jejich slitin se používá bór (o v \u003d 2500 - * -3500 MPa, E = 38h-420 GPa) a uhlík (st in = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa) vlákna, stejně jako vlákna ze žáruvzdorných sloučenin (karbidy, nitridy, boridy a oxidy) s vysokou pevností a modulem pružnosti. Takže vlákna z karbidu křemíku o průměru 100 μm mají st in = 2500-*m3500 MPa, E= 450 GPa. Často se jako vlákna používá vysokopevnostní ocelový drát.
K vyztužení titanu a jeho slitin se používá molybdenový drát, safírová vlákna, karbid křemíku a borid titanu.
Zvýšení tepelné odolnosti slitin niklu je dosaženo jejich vyztužením wolframovým nebo molybdenovým drátem. Kovová vlákna se také používají v případech, kdy je vyžadována vysoká tepelná a elektrická vodivost. Perspektivními tužidly pro vysokopevnostní a vysokomodulové vláknité kompozitní materiály jsou whiskery vyrobené z oxidu a nitridu hliníku, karbidu a nitridu křemíku, karbidu boru atd., které mají b = 15000-g-28000 MPa a E= 400-*-600 GPa.
V tabulce. 44 ukazuje vlastnosti některých vláknitých kompozitních materiálů.
Kompozitní materiály na bázi kovu mají vysokou pevnost (st in, a_ x) a tepelnou odolnost, zároveň mají nízkou plasticitu. Vlákna v kompozitních materiálech však snižují rychlost šíření trhlin iniciujících v matrici a téměř úplně eliminují náhlé
Rýže. 197. Závislost modulu pružnosti E (a) a dočasný odpor o v (b) kompozitním materiálu bor-hliník podél (/) a napříč (2) osa výztuže na objemovém obsahu bórového vlákna
křehký lom. Charakteristickým rysem jednoosých vláknitých kompozitních materiálů je anizotropie. mechanické vlastnosti podél a napříč vlákny a nízkou citlivostí na koncentrátory napětí.
Na Obr. 197 ukazuje závislost a v a E kompozitní materiál bor-hliník z obsahu bórového vlákna podél (/) a napříč ( 2 ) osa výztuže. Čím vyšší je objemový obsah vláken, tím vyšší jsou a b, a_ t a E podél osy výztuže. Je však třeba vzít v úvahu, že matrice může přenášet napětí na vlákna pouze tehdy, když je na rozhraní mezi výztužným vláknem a matricí silná vazba. Aby se zabránilo kontaktu mezi vlákny, musí matrice zcela obklopit všechna vlákna, čehož je dosaženo, když její obsah není menší než 15-20 %.
Matrice a vlákno by se během výroby nebo provozu neměly vzájemně ovlivňovat (nemělo by docházet k vzájemné difúzi), protože to může vést ke snížení pevnosti kompozitního materiálu.
Anizotropie vlastností vláknitých kompozitních materiálů se bere v úvahu při navrhování dílů pro optimalizaci vlastností přizpůsobením pole odporu s napěťovými poli.
Vyztužení slitin hliníku, hořčíku a titanu spojitými žáruvzdornými vlákny boru, karbidu křemíku, diboridu titanu a oxidu hlinitého výrazně zvyšuje tepelnou odolnost. Charakteristickým rysem kompozitních materiálů je nízká rychlost měknutí v průběhu času (obr. 198, A) se zvýšením teploty.
Rýže. 198. Dlouhodobá pevnost kompozitního materiálu bór-hliník s obsahem 50 % bórového vlákna ve srovnání s pevností slitin titanu (a) a dlouhodobá pevnost niklového kompozitního materiálu ve srovnání s pevností precipitačně vytvrzovaných slitin ( b):
/ - kompozit bór-hliník; 2 - slitina titanu; 3 - disperzně zpevněný kompozitní materiál; 4 - precipitační vytvrzovací slitiny
Hlavní nevýhodou kompozitních materiálů s jedno- a dvourozměrnou výztuží je malá odolnost proti interlaminárnímu smyku a příčnému smyku. Tento nedostatek je zbaven materiálů v hromadné výztuži.
- Polymerní, keramické a další matrice jsou široce používány.
OBECNÁ CHARAKTERISTIKA A KLASIFIKACE
Tradičně používané kovové a nekovové materiály do značné míry dosáhly své meze strukturální pevnosti. Rozvoj moderní technologie přitom vyžaduje vytvoření materiálů, které spolehlivě fungují ve složité kombinaci silových a teplotních polí, pod vlivem agresivních médií, záření, hlubokého vakua a vysokých tlaků. Požadavky na materiály mohou být často protichůdné. Tento problém lze vyřešit použitím kompozitních materiálů.
Kompozitní materiál(CM) neboli kompozit se nazývá objemový heterogenní systém sestávající ze vzájemně nerozpustných složek, které se značně liší vlastnostmi, jejichž struktura umožňuje využít předností každé z nich.
Princip konstrukce CM si člověk vypůjčil z přírody. Typickými kompozitními materiály jsou kmeny stromů, stonky rostlin, lidské a zvířecí kosti.
CM umožňují mít danou kombinaci heterogenních vlastností: vysokou měrnou pevnost a tuhost, tepelnou odolnost, odolnost proti opotřebení, tepelně stínící vlastnosti atd. Spektrum vlastností CM nelze získat pomocí běžných materiálů. Jejich použití umožňuje vytvářet dříve nepřístupné, zásadně nové designy.
Díky CM je možný nový kvalitativní skok ve zvyšování výkonu motoru, snižování hmotnosti strojů a konstrukcí a zvyšování hmotnostní účinnosti vozidel a leteckých dopravních prostředků.
Důležitými charakteristikami materiálů pracujících za těchto podmínek jsou měrná pevnost σ v /ρ a měrná tuhost E/ρ, kde σ v - dočasný odpor, E je modul normální pružnosti, ρ je hustota materiálu.
Vysokopevnostní slitiny mají zpravidla nízkou tažnost, vysokou citlivost na koncentrátory napětí a relativně nízkou odolnost proti vzniku únavových trhlin. Přestože kompozitní materiály mohou mít také nízkou tažnost, jsou mnohem méně citlivé na koncentrátory napětí a lépe odolávají únavovému selhání. Je to způsobeno odlišným mechanismem tvorby trhlin u vysokopevnostních ocelí a slitin. Ve vysokopevnostních ocelích se trhlina, která dosáhla kritické velikosti, vyvíjí progresivní rychlostí.
U kompozitních materiálů funguje jiný mechanismus. Trhlina, pohybující se v matrici, naráží na překážku na rozhraní matrice-vlákno. Vlákna brání vzniku trhlin a jejich přítomnost v plastové matrici vede ke zvýšení lomové houževnatosti.
Kompozitní systém tedy kombinuje dvě opačné vlastnosti požadované pro konstrukční materiály – vysokou pevnost díky vysokopevnostním vláknům a dostatečnou lomovou houževnatost díky plastové matrici a mechanismu rozptylu lomové energie.
CM se skládají z relativně plastické matricové materiálové báze a tvrdších a pevnějších složek, které jsou plniva. Vlastnosti CM závisí na vlastnostech báze, plniv a pevnosti vazby mezi nimi.
Matrice váže kompozici do monolitu, dává jí tvar a slouží k přenosu vnějších zatížení na výztuž z plniv. V závislosti na základním materiálu se CM rozlišují s kovovou matricí nebo kovovými kompozitními materiály (MCM), s polymer - polymerními kompozitními materiály (PCM) a s keramicko - keramickými kompozitními materiály (CMC).
Vedoucí roli v posilování CM hrají plniva, často označovaná jako tužidla. Mají vysokou pevnost, tvrdost a modul pružnosti. Podle druhu výztužných plniv se CM dělí na disperzně zesílený,vláknitý a vrstvené(obr. 28.2).
Rýže. 28.2. Schémata struktury kompozitních materiálů: A) disperzně zesílené; b) vláknité; v) vrstvené
Jemné rovnoměrně rozptýlené žáruvzdorné částice karbidů, oxidů, nitridů atd., které neinteragují s matricí a nerozpouštějí se v ní až do bodu tání fází, jsou uměle zaváděny do disperzně tvrzených CM. Čím menší jsou částice plniva a čím menší je vzdálenost mezi nimi, tím silnější je CM. Na rozdíl od vláknitých je u disperzně zpevněných CM hlavním nosným prvkem matrice. Soubor rozptýlených částic plniva zpevňuje materiál díky odolnosti vůči pohybu dislokací při zatížení, což brání plastické deformaci. Efektivní odolnost proti dislokačnímu pohybu vzniká až do teploty tání matrice, díky čemuž se disperzně zpevněné CM vyznačují vysokou tepelnou odolností a odolností proti tečení.
Výztuž ve vláknitém CM mohou být vlákna různých tvarů: nitě, pásky, sítě různých vazeb. Výztuž vláknitého CM lze provádět podle jednoosého, dvouosého a tříosého schématu (obr. 28.3, A).
Pevnost a tuhost takových materiálů je určena vlastnostmi výztužných vláken, která přebírají hlavní zatížení. Vyztužení poskytuje větší nárůst pevnosti, ale disperzní vytvrzování je technologicky jednodušší.
Vrstvené kompozitní materiály (obr. 28.3, b) se skládají ze střídajících se vrstev výplňového a matricového materiálu (sendvičového typu). Vrstvy plniva v takových CM mohou mít různé orientace. Je možné střídavě používat vrstvy plniva z různých materiálů s různými mechanickými vlastnostmi. Pro vrstvené kompozice se obvykle používají nekovové materiály.
Rýže. 28.3. Schémata vláknité výztuže ( A) a vrstvené ( b) kompozitní materiály
DISPERZNĚ TVRZENÉ KOMPOZITNÍ MATERIÁLY
Během disperzního zpevňování částice blokují kluzné procesy v matrici. Účinnost vytvrzení za podmínky minimální interakce s matricí závisí na typu částic, jejich objemové koncentraci a také na rovnoměrnosti rozložení v matrici. Aplikujte dispergované částice žáruvzdorných fází jako Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC, které mají nízkou hustotu a vysoký modul pružnosti. KM se obvykle vyrábí práškovou metalurgií, jejíž důležitou výhodou je izotropie vlastností v různých směrech.
V průmyslu se obvykle používají disperzně zpevněné CM na hliníkové a vzácněji niklové bázi. Charakteristickými představiteli tohoto typu kompozitních materiálů jsou materiály typu SAP (slinutý hliníkový prášek), které se skládají z hliníkové matrice vyztužené dispergovanými částicemi oxidu hlinitého. Hliníkový prášek se získává rozprašováním roztaveného kovu a následným mletím v kulových mlýnech na velikost asi 1 mikronu v přítomnosti kyslíku. S prodlužující se dobou mletí se prášek stává jemnějším a zvyšuje se v něm obsah oxidu hlinitého. Další technologie výroby produktů a polotovarů ze SAP zahrnuje lisování za studena, předslinování, lisování za tepla, válcování nebo vytlačování slinutého hliníkového předvalku do podoby hotových výrobků, které lze podrobit dodatečnému tepelnému zpracování.
Slitiny typu SAP jsou uspokojivě deformovány za tepla a slitiny s 6–9 % Al 2 O 3 jsou deformovány i při pokojové teplotě. Z nich lze tažením za studena získat fólii o tloušťce až 0,03 mm. Tyto materiály se dobře opracovávají a mají vysokou odolnost proti korozi.
Typy SAP používané v Rusku obsahují 6–23 % Al 2 O 3 . SAP-1 se vyznačuje obsahem 6-9, SAP-2 - s 9-13, SAP-3 - s 13-18% Al 2 O 3. S nárůstem objemové koncentrace oxidu hlinitého se zvyšuje pevnost kompozitních materiálů. Při pokojové teplotě jsou pevnostní charakteristiky SAP-1 následující: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 jsou následující: σ v \u003d 420 MPa, σ 0,2 \u003d 340 MPa.
Materiály typu SAP mají vysokou tepelnou odolnost a překonávají všechny tvářené hliníkové slitiny. I při teplotě 500 °C není jejich σ menší než 60–110 MPa. Tepelná odolnost se vysvětluje zpomalujícím účinkem dispergovaných částic na proces rekrystalizace. Pevnostní charakteristiky slitin typu SAP jsou velmi stabilní. Dlouhodobé pevnostní zkoušky slitin typu SAP-3 po dobu 2 let neměly prakticky žádný vliv na úroveň vlastností jak při pokojové teplotě, tak při zahřátí na 500 °C. Při 400 °C je pevnost SAP 5krát vyšší než při stárnutí slitin hliníku.
Používají se slitiny typu SAP letecké techniky pro výrobu dílů s vysokou měrnou pevností a odolností proti korozi, pracujících při teplotách do 300–500 °C. Vyrábějí se z nich pístnice, lopatky kompresoru, pláště palivových článků a trubky výměníků.
CM se získává práškovou metalurgií za použití dispergovaných částic karbidu křemíku SiC. Chemická sloučenina SiC má řadu pozitivních vlastností: vysoký bod tání (více než 2650 °C), vysokou pevnost (asi 2000 MPa) a modul pružnosti (> 450 GPa), nízkou hustotu (3200 kg/m 3) a dobrou korozi odpor. Výroba brusných silikonových prášků byla průmyslově zvládnuta.
Prášky z hliníkové slitiny a SiC se smísí, podrobí předběžnému zhutnění za nízkého tlaku, poté se lisují za tepla v ocelových nádobách ve vakuu při teplotě tavení matricové slitiny, tj. ve stavu pevná látka-kapalina. Výsledný obrobek je podroben sekundární deformaci, aby se získaly polotovary požadovaného tvaru a velikosti: plechy, tyče, profily atd.
Kompozitní materiály se skládají z kovové matrice (častěji Al, Mg, Ni a jejich slitin) vyztužené vysokopevnostními vlákny (vláknité materiály) nebo jemně rozptýlenými žáruvzdornými částicemi, které se nerozpouštějí v základním kovu (disperzně zpevněné materiály). Kovová matrice váže vlákna (dispergované částice) do jediného celku. Vlákno (dispergované částice) plus pojivo (matrice), které tvoří konkrétní kompozici, se nazývají kompozitní materiály.
Kompozitní materiály s nekovovou matricí
Kompozitní materiály s nekovovou matricí našly široké uplatnění. Jako nekovové matrice, polymer, uhlík a keramické materiály. Z polymerních matric jsou nejpoužívanější epoxidové, fenolformaldehydové a polyamidové.
Uhlíkové matrice koksované nebo pyrouhlíkové získané ze syntetických polymerů podrobených pyrolýze. Matrice váže kompozici a dává jí formu. Zpevňovačem jsou vlákna: skleněná, uhlíková, bórová, organická, na bázi whiskerů (oxidy, karbidy, boridy, nitridy a další), dále kovová (dráty), která mají vysokou pevnost a tuhost.
Vlastnosti kompozitních materiálů závisí na složení složek, jejich kombinaci, kvantitativním poměru a pevnosti vazby mezi nimi.
Výztužné materiály mohou být ve formě vláken, koudelí, nití, pásek, vícevrstvých tkanin.
Obsah tvrdidla v orientovaných materiálech je 60-80 obj.%, v neorientovaných (s diskrétními vlákny a whiskery) - 20-30 obj.%. Čím vyšší je pevnost a modul pružnosti vláken, tím vyšší je pevnost a tuhost kompozitního materiálu. Vlastnosti matrice určují pevnost kompozice ve smyku a tlaku a odolnost proti únavovému porušení.
Podle typu tužidla se kompozitní materiály dělí na skleněná vlákna, uhlíková vlákna s uhlíkovými vlákny, borová vlákna a orgánová vlákna.
V laminovaných materiálech se vlákna, nitě, pásky impregnované pojivem pokládají paralelně k sobě v rovině pokládky. Ploché vrstvy jsou sestaveny do desek. Vlastnosti jsou anizotropní. Pro práci materiálu ve výrobku je důležité vzít v úvahu směr působících zatížení. Můžete vytvářet materiály s izotropními i anizotropními vlastnostmi. Vlákna můžete pokládat pod různými úhly a měnit tak vlastnosti kompozitních materiálů. Ohybová a torzní tuhost materiálu závisí na pořadí kladení vrstev podél tloušťky balíku.
Používá se pokládka výztužných prvků ze tří, čtyř nebo více závitů.
Největší uplatnění má struktura tří na sebe kolmých závitů. Tvrdidla mohou být umístěna v axiálním, radiálním a obvodovém směru.
Trojrozměrné materiály mohou mít libovolnou tloušťku ve formě bloků, válců. Objemné tkaniny zvyšují pevnost v odlupování a odolnost ve smyku ve srovnání s vrstvenými tkaninami. Systém čtyř vláken je postaven rozpínáním výztuže podél úhlopříček krychle. Struktura čtyř závitů je vyvážená, má zvýšenou smykovou tuhost v hlavních rovinách.
Vytvoření čtyř směrových materiálů je však obtížnější než vytvoření tří směrových.
Tento typ kompozitních materiálů zahrnuje materiály jako SAP (sintrovaný hliníkový prášek), což je hliník vyztužený rozptýlenými částicemi oxidu hlinitého. Hliníkový prášek se získává rozprašováním roztaveného kovu s následným mletím v kulových mlýnech na velikost asi 1 mikronu v přítomnosti kyslíku. S prodlužující se dobou mletí se prášek stává jemnějším a zvyšuje se v něm obsah oxidu hlinitého. Další technologie výroby produktů a polotovarů ze SAP zahrnuje lisování za studena, předslinování, lisování za tepla, válcování nebo vytlačování slinutého hliníkového předvalku do podoby hotových výrobků, které lze podrobit dodatečnému tepelnému zpracování.
Slitiny typu SAP se používají v letecké technice pro výrobu dílů s vysokou měrnou pevností a odolností proti korozi, pracujících při teplotách do 300–500 °C. Vyrábějí se z nich pístnice, lopatky kompresoru, pláště palivových článků a trubky výměníků.
Vyztužení hliníku a jeho slitin ocelovým drátem zvyšuje jejich pevnost, zvyšuje modul pružnosti, odolnost proti únavě a rozšiřuje teplotní rozsah materiálu.
Vyztužení krátkými vlákny se provádí metodami práškové metalurgie, spočívající v lisování s následným hydroextruzí nebo válcováním přířezů. Při vyztužení spojitými vlákny sendvičových kompozic sestávajících ze střídajících se vrstev hliníková fólie a používá se vlákna, válcování, lisování za tepla, svařování výbuchem, svařování difúzí.
Velmi perspektivním materiálem je hliníkovo-berylliové složení drátu, které realizuje vysoké fyzikální a mechanické vlastnosti beryliové výztuže a především její nízkou hustotu a vysokou měrnou tuhost. Kompozice s beryliovým drátem se získávají difúzním svařováním obalů ze střídajících se vrstev beryliového drátu a matricových plechů. Slitiny hliníku vyztužené ocelovými a beryliovými dráty se používají k výrobě částí těla raket a palivových nádrží.
Ve složení "hliník - uhlíkové vlákno" umožňuje kombinace výztuže s nízkou hustotou a matrice vytvářet kompozitní materiály s vysokou měrnou pevností a tuhostí. Nevýhodou uhlíkových vláken je jejich křehkost a vysoká reaktivita. Složení hliník-uhlík se získává impregnací uhlíkových vláken tekutým kovem nebo metodami práškové metalurgie. Technologicky je nejjednodušší protáhnout svazky uhlíkových vláken taveninou hliníku.
Hliník-uhlíkový kompozit se používá při konstrukci palivových nádrží moderních stíhaček. Díky vysoké měrné pevnosti a tuhosti materiálu je hmotnost palivových nádrží snížena o 30 %. Tento materiál se také používá pro výrobu lopatek turbín pro letecké motory s plynovou turbínou.
Kompozitní materiály s nekovovou matricí
Kompozitní materiály s nekovovou matricí jsou široce používány v průmyslu. Jako nekovové matrice se používají polymerní, uhlíkové a keramické materiály. Z polymerních matric jsou nejpoužívanější epoxidové, fenolformaldehydové a polyamidové. Uhlíkové matrice se koksují nebo získávají ze syntetických polymerů podrobených pyrolýze (rozklad, dezintegrace). Matrice váže kompozici a dává jí formu. Zpevňovačem jsou vlákna: skleněná, uhlíková, bórová, organická, na bázi whiskerů (oxidy, karbidy, boridy, nitridy atd.), dále kovová (dráty), která mají vysokou pevnost a tuhost.
Vlastnosti kompozitních materiálů závisí na složení složek, jejich kombinaci, kvantitativním poměru a pevnosti vazby mezi nimi.
Obsah tvrdidla v orientovaných materiálech je 60–80 obj. %, v neorientovaných (s diskrétními vlákny a vousy) - 20 - 30 obj. %. Čím vyšší je pevnost a modul pružnosti vláken, tím vyšší je pevnost a tuhost kompozitního materiálu. Vlastnosti matrice určují pevnost kompozice ve smyku a tlaku a odolnost proti únavovému porušení.
Podle typu tužidla se kompozitní materiály dělí na skleněná vlákna, uhlíková vlákna s uhlíkovými vlákny, borová vlákna a orgánová vlákna.
V laminovaných materiálech se vlákna, nitě, pásky impregnované pojivem pokládají paralelně k sobě v rovině pokládky. Rovinné vrstvy jsou sestaveny do desek. Vlastnosti jsou anizotropní. Pro práci materiálu ve výrobku je důležité vzít v úvahu směr působících zatížení. Můžete vytvářet materiály s izotropními i anizotropními vlastnostmi. Vlákna můžete pokládat pod různými úhly a měnit tak vlastnosti kompozitních materiálů. Ohybová a torzní tuhost materiálu závisí na pořadí kladení vrstev podél tloušťky balíku.
Používá se stohování výztužných prvků ze tří, čtyř nebo více závitů (obr. 7). Největší uplatnění má struktura tří na sebe kolmých závitů. Tvrdidla mohou být umístěna v axiálním, radiálním a obvodovém směru.
Trojrozměrné materiály mohou mít libovolnou tloušťku ve formě bloků, válců. Objemné tkaniny zvyšují pevnost v odlupování a odolnost ve smyku ve srovnání s vrstvenými tkaninami. Systém čtyř pramenů je postaven umístěním výztuže podél úhlopříček krychle. Struktura čtyř závitů je vyvážená, má zvýšenou smykovou tuhost v hlavních rovinách. Vytvoření čtyř směrových materiálů je však obtížnější než vytvoření tří směrových.
Rýže. 7. Schéma vyztužení kompozitních materiálů: 1 - obdélníkový, 2 - šestihranný, 3 - šikmý, 4 - zakřivenými vlákny, 5 - soustava n závitů
Nejúčinnější z hlediska použití v nejtěžších podmínkách suchého tření jsou antifrikční materiály na bázi polytetrafluorethylenu (PTFE).
PTFE se vyznačuje dosti vysokým koeficientem statického tření, nicméně při kluzném tření se na povrchu PTFE vytvoří velmi tenká vrstva vysoce orientovaného polymeru, která napomáhá vyrovnání koeficientů statického a dynamického tření a hladkému pohybu při klouzání. Při změně směru klouzání způsobuje přítomnost orientovaného povrchového filmu dočasné zvýšení koeficientu tření, jehož hodnota se opět snižuje s přeorientováním povrchové vrstvy. Toto chování PTFE při tření vedlo k jeho širokému použití v průmyslu, kde se pro výrobu ložisek používá hlavně neplněný PTFE. V mnoha případech musí nemazaná ložiska pracovat při vyšších třecích rychlostech. Zároveň se neplněný PTFE vyznačuje vysokými hodnotami koeficientu tření a rychlosti opotřebení. Jako materiály pro nemazaná ložiska pracující v takových podmínkách našly široké uplatnění kompozitní materiály, nejčastěji na bázi PTFE.
Nejjednodušší způsob, jak snížit relativně vysokou míru opotřebení PTFE během suchého tření, je zavedení práškových plniv. V tomto případě se zvyšuje odolnost proti tečení pod tlakem a je pozorováno výrazné zvýšení odolnosti proti opotřebení při suchém tření. Zavedení optimálního množství plniva umožňuje zvýšit odolnost proti opotřebení až 10 4krát.
Polymery a kompozitní materiály na jejich bázi mají unikátní soubor fyzikálních a mechanických vlastností, díky kterým úspěšně konkurují tradičním konstrukčním ocelím a slitinám a v některých případech není možné zajistit požadované funkční vlastnosti a výkon speciálních výrobků a strojů. bez použití polymerních materiálů. Vysoká vyrobitelnost a nízká energetická náročnost technologií zpracování plastů na výrobky v kombinaci s výše uvedenými výhodami PCM z nich činí velmi perspektivní materiály pro strojní součásti pro různé účely.
Tento typ kompozitních materiálů zahrnuje materiály jako SAP (sintrovaný hliníkový prášek), což je hliník vyztužený rozptýlenými částicemi oxidu hlinitého. Hliníkový prášek se získává rozprašováním roztaveného kovu s následným mletím v kulových mlýnech na velikost asi 1 mikronu v přítomnosti kyslíku. S prodlužující se dobou mletí se prášek stává jemnějším a zvyšuje se v něm obsah oxidu hlinitého. Další technologie výroby produktů a polotovarů ze SAP zahrnuje lisování za studena, předslinování, lisování za tepla, válcování nebo vytlačování slinutého hliníkového předvalku do podoby hotových výrobků, které lze podrobit dodatečnému tepelnému zpracování.
Slitiny typu SAP se používají v letecké technice pro výrobu dílů s vysokou měrnou pevností a odolností proti korozi, pracujících při teplotách do 300–500 °C. Vyrábějí se z nich pístnice, lopatky kompresoru, pláště palivových článků a trubky výměníků.
Vyztužení hliníku a jeho slitin ocelovým drátem zvyšuje jejich pevnost, zvyšuje modul pružnosti, odolnost proti únavě a rozšiřuje teplotní rozsah materiálu.
Vyztužení krátkými vlákny se provádí metodami práškové metalurgie, spočívající v lisování s následným hydroextruzí nebo válcováním přířezů. Při vyztužování spojitými vlákny sendvičových kompozic sestávajících ze střídajících se vrstev hliníkové fólie a vláken se používá válcování, lisování za tepla, svařování výbuchem a difúzní svařování.
Velmi perspektivním materiálem je kompozice "hliník - beryliový drát", která implementuje vysoké fyzikální a mechanické vlastnosti beryliové výztuže a především její nízkou hustotu a vysokou měrnou tuhost. Kompozice s beryliovým drátem se získávají difúzním svařováním obalů ze střídajících se vrstev beryliového drátu a matricových plechů. Slitiny hliníku vyztužené ocelovými a beryliovými dráty se používají k výrobě částí těla raket a palivových nádrží.
Ve složení "hliník - uhlíková vlákna" umožňuje kombinace nízkohustotní výztuže a matrice vytvářet kompozitní materiály s vysokou měrnou pevností a tuhostí. Nevýhodou uhlíkových vláken je jejich křehkost a vysoká reaktivita. Složení "hliník - uhlík" se získává impregnací uhlíkových vláken tekutým kovem nebo metodami práškové metalurgie. Technologicky je nejjednodušší protáhnout svazky uhlíkových vláken taveninou hliníku.
Kompozitní "hliník - uhlík" se používá v konstrukci palivových nádrží moderních stíhaček. Díky vysoké měrné pevnosti a tuhosti materiálu je hmotnost palivových nádrží snížena o
třicet %. Tento materiál se také používá pro výrobu lopatek turbín pro letecké motory s plynovou turbínou.
