Композиционный материал

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминиевых и магниевых сплавов, упрочненных высокомодульными нановолокнами. Может использоваться в судостроении, при создании конструкций и оборудования авиакосмических средств, железнодорожного и других видов транспорта в качестве конструкционных материалов. Композиционный материал содержит матрицу из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний или их сплавы и 20-80 об.% упрочнителя, выполненного в виде армирующих нановолокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода Материал обладает высоким уровнем прочностных свойств, а также пониженной массой. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к металловедению в области композиционных материалов на основе алюминиевых и магниевых сплавов, упрочненных высокомодульными нановолокнами, предназначенных для широкого использования в различных областях техники в качестве конструкционных материалов, которые должны обладать повышенными прочностными свойствами, а также уменьшенной массой. К таким областям техники относятся: судостроение, создание конструкций и оборудования авиакосмических средств, железнодорожного и других видов транспорта.

Известен композиционный материал, который содержит матрицу из алюминиевого или магниевого сплава, армированного нановолокном, содержащим более 80% оксида алюминия (глинозема), остальное - диоксид кремния, причем (5-60)% глинозема составляет α-фаза, остальное - γ-фаза (заявка Японии №61-50131, кл. G22G 1/10, 1986).

Недостатком известного композиционного материала является то, что γ-фаза глинозема, вследствие малой термодинамической стабильности, в значительной мере взаимодействует с основой, в результате реакции происходит разрушение глинозема, снижение прочности межфазных границ, что приводит к снижению прочности получаемого композиционного материала.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является композиционный материал, включающий матрицу из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний или их сплавы и упрочнитель, выполненный в виде нановолокон карбида кремния с (0,01-40) вес.% свободного углерода при следующем соотношении, об.%: нановолокна карбида кремния - 20-80; металл, выбранный из группы, содержащей алюминий, магний или их сплавы - остальное.

Такой композиционный материал может содержать в качестве матрицы сплав на основе алюминия, включающий по крайней мере один компонент, выбранный из группы, содержащей титан, хром, кремний, марганец и кальций, или сплав на основе магния, включающий по крайней мере один компонент, выбранный из группы: алюминий, марганец, цирконий, кальций, кремний, иттрий (патент СССР № 643088, кл. C22C 1/09, 21/00, 23/00, опубл. 15.01.79. - прототип).

Недостатками известного композиционного материала являются недостаточно высокие прочностные свойства, а также величина его массы, что видно из приведенных ниже примеров.

Технической задачей изобретения является создание композиционного материала с использованием нановолокон, обладающего высоким уровнем прочностных свойств, а также пониженной массой.

Поставленная техническая задача решается при создании композиционного материала, включающего матрицу из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний или их сплавы и упрочнитель, выполненный в виде армирующих нановолокон, в котором, согласно изобретению, он содержит армирующие нановолокна оксида алюминия, покрытие пленкой аморфного углерода и составляющие (20-80) об.% композиционного материала.

Такой композиционный материал в качестве алюминиевого сплава матрицы может содержать сплав с содержанием литии более 1,5 мас.%.

Такой композиционный материал в качестве магниевого сплава матрицы может содержать сплав МА 2-1.

Поперечный размер армирующих волокон такого композиционного материала может составлять менее 10 мкм.

В таком композиционном материале пленка аморфного углерода, которой покрыты армирующие нановолокна оксида алюминия, может составлять до 40 мас.% нановолокон.

Армирующие нановолокна, покрытые пленкой аморфного углерода, имеют следующие характеристики, в зависимости от поперечного размера нановолокна:

предел прочности, МПа	700-550
модуль упругости, МПа	95-120
плотность, кг/м3	2260-3000

Покрытие пленкой аморфного углерода армирующих нановолокон оксида алюминия способствует повышению смачиваемости в системе матрица - нановолокно в результате реакции углерода с металлом матрицы, что приводит к значительному увеличению сил связи на поверхности раздела - матрица - нановолокно. Это обеспечивает повышение прочности композиционного материала.

Для подтверждения достижения технической задачи изобретение иллюстрируется примерами.

Таким образом, предложенный композиционный материал имеет более высокий предел прочности на растяжение, а также более низкую массу, что позволяет широко использовать такой материал для изготовления конструкций в различных областях техники.

1. Композиционный материал, включающий матрицу из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний или их сплавы и упрочнитель, выполненный в виде армирующих нановолокон, отличающийся тем, что в качестве упрочнителя он содержит армирующие нановолокна оксида алюминия, покрытые пленкой аморфного углерода и составляющие 20-80 об.% композиционного материала.

2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве алюминиевого сплава матрицы он содержит высокомодульный сплав пониженной плотности с содержанием лития более 1,5 мас.%.

3. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве магниевого сплава матрицы он содержит сплав МА 2-1.

4. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что поперечный размер армирующих нановолокон составляет менее 10 мкм.

5. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что пленка аморфного углерода, которой покрыты армирующие нановолокна оксида алюминия, составляет до 40 мас.% нановолокон.