Композиты с металлическим, интерметаллидными и керамическими матрицами С.Т. Милейко Институт физики твёрдого тела РАН, Черноголовка Московской обл., Россия

Семейства композитов Композиты с полимерной матрицей (КПМ) Композиты с металлической матрицей (КММ) Композиты с керамической матрицей (ККМ) Углерод-углерод

Семейства композитов Композиты с полимерной матрицей (КПМ) Композиты с металлической матрицей (КММ) Композиты с интерметаллидной матрицей (КИММ) Композиты с керамической матрицей (ККМ) Углерод-углерод

Неизбежность широкого использования композитов – КММ, КИММ, ККМ – в конструкциях High Tech Технические причины Экономические Экологические Политические Слава Богу, и младое поколение руководителей начинает понимать неизбежность прихода ПКМ

Технические причины 1. Ограничения по удельному модулю упругости металлов и, соответственно, - по потенциальной прочности. 2. Ограничения по температурам плавления и, соответсвенно, - по температурам использования. 3. Ограничения по соотношению прочность – трещиностойкость.

Ограничения по удельному модулю упругости металлов Вещество Температура плавления Модуль Юнга, E Плотность, E/ oCoCGPa kg/m (m/s) 2 Металлы Fe Al Ti

Углерод и керамика Вещество Температура плавления или сублимации Модуль Юнга, E Плотность, E/ oCoCGPa kg/m (m/s) 2 Углерод Нитевидные кристаллы графита и Нанотрубки / /600 Керамики SiC B4CB4C B Al 2 O

Ограничения по соотношению прочность – трещиностойкость

Boron - aluminium Прочность – трещиностойкость КММ

Экономические причины 1. Облегчение конструкции – увеличение полезной нагрузки, экономия топлива 2. Повышение температуры цикла в двигателе – экономия топлива, сокращение вредных выбросов 3. Опережающие разработки и внедрение новых материалов, отсутствующих за границей, – рост экспорта продукции, не сырья 4....

Экологические причины 1. Облегчение конструкции – увеличение полезной нагрузки, экономия топлива 2. Повышение температуры цикла в двигателе – экономия топлива, сокращение вредных выбросов 3. Уменьшение антропогенной нагрузки на Землю 4....

Некоторые технические проблемы и возможные решения 1. Технология волокон - основанная на науке и изобретательности 2. Технология композитов – основанная на науке 3. Прочность – трещиностойкость 4. Жаропрочность

Технология монокристаллических оксидных волокон 1. Технология EFG (основанная на концепции Степанова): стоимость сапфирового волокна $ – / кг 2. Micro-pulling down – EFG c ног на голову, стоимость примерно та же 3. Технология LHPG – примерно то же

Какие это волкна? Sapphire Single crystalline garnets (i.e., YAG) Single crystalline mullite A variety of rhe oxide eutectics etc. All these fibres have been obtained by using the Internal Crystallisation Method (ICM) invented in ISSP RAS by V. Kazmin and S. Mileiko

Метод внутренней кристаллизации

Internal Crystallisation Method далее

Метод внутренней кристаллизации 5. Dissolution of molybdenum

Метод внутренней кристаллизации (МВК) 5. Dissolution of molybdenum

МВК-волокна: форма и размеры

МВК-волокна: прочность и высокотемпературная ползучесть

Прочность волокна 1998 : Asthana, R., Tewari, S. N., Draper, S. L. Strength degradation of sapphire fibers during pressure casting of a sapphire-reinforced Ni-base superalloy. Metall. Mater. Trans., 1998, 29A, S.T.Mileiko, N.S.Sarkissyan, A.A.Kolchin, V.M.Kiiko, Oxide fibres in a Ni-based matrix – do they degrade or become stronger? Journal of Materials: Design and Applications, 218 (2004) No L3, R. Asthana, S.T. Mileiko, and N. Sobczak, Wettability and interface considerations in advanced heat-resistant Ni-based composites, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, Vol. 54, No. 2, 2006,

Прочность оксидного волокна в матрице 60s: Occuring MMCs 19 : Calow 19 : LaBelle HE, Jr., Mlavsky AI, Growth of sapphire filaments from the melt. Nature,1967, 216, : Asthana, R., Tewari, S. N., Draper, S. L. Strength degradation of sapphire fibers during pressure casting of a sapphire-reinforced Ni-base superalloy. Metall. Mater. Trans., 1998, 29A, S.T.Mileiko, N.S.Sarkissyan, A.A.Kolchin, V.M.Kiiko, Oxide fibres in a Ni-based matrix – do they degrade or become stronger? Journal of Materials: Design and Applications, 218 (2004) No L3, R. Asthana, S.T. Mileiko, and N. Sobczak, Wettability and interface considerations in advanced heat-resistant Ni-based composites, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, Vol. 54, No. 2, 2006,

Yes, the fibres degrade in a Ni-based matrix. However, the same matrix heals surface defects, which lower the strength of fibres extracted from the matrix. Moreover, the matrix heals surface defects existing in the as-received fibres provided an intimate contact on the interface is observed. The latter is a necessary condition to form a strong interface to make the fibre to contribute their inherent strength to mechanical properties of the composite.

Сопротивление ползучести (CП) монокристаллических волокон муллита и граната YAG CП напряжение, вызывающее 1% деформации ползучести за 100 ч

Технологии композитов, основанные на науке 1. Боро-алюминиевые элементы конструкций 2. Жаропрочные КММ 3. Жаропрочные ККМ 4. КИММ для повышенных температур

Боро-алюминиевые элементы конструкций (трубы, оболочки) Делать в лобовой атаке: газовое давление ~ 1000 атм при температуре ~ 500 о С – дорого, недостижимы потенциально предельные величины прочности (первая версия технологии – ИФТТ-ЦНИИМВ). Делать по науке: температура снижена до ~ 350 о С, прочность выше за счёт возможной оптимизации структуры (вторая версия технологии ИФТТ)

Вторая версия технологии: участок в ЛАС ИФТТ

Вторая версия технологии: участок в КБ Салют

Известные советские применения НИИ Прикладной механики (ГЛОНАС) – первая версия Вторая версия: КБ Салют НПО Молния (Буран) ЦНИИМ КБ Антонова – элементы шасси АН-124

Жаропрочные КММ

Al 2 O 3 -волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150 o C Сопротивление ползучести: напряжение, вызывающее 1% деформации ползучести за 100 ч. Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов

Al 2 O 3 волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150 o C Creep resistance: stress to cause 1% creep strain for 100 h. Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов

Al 2 O 3 -Al 5 Y 3 O 12 -fibre/Ni-based-matrix, 1150 o C Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов

Al 2 O 3 -Al 5 Y 3 O 12 -волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150 o C Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов

Al 2 O 3 -Al 5 Y 3 O 12 -ZrO 2 -волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150 o C

Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов Al 2 O 3 -Al 5 Y 3 O 12 -ZrO 2 -fibre/Ni-based-matrix, 1150 o C

Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов Oxide-fibres/Ni-based-matrix, 1150 o C

История жаропрочных сплавов

Суперсплавы: T max ~ 1100 o C Плотность 9 g/cm 3 Настоящий композит: T max ~ 1150 o C Плотность 6.7 g/cm 3 The limit for Ni-based composites ~ 1200 o C Будущее жаропрочных КММ

ККМ – оксид-оксид Характерстики высокотемпературной ползучести должны быть отличными! Такие композиты будут эффективными до ~ 1600 o C. Трещиностойкость?

КИММ: нехрупкие композиты на основе TiAl

Эффективность композитов в конструкциях гражданских самолётов

Планер самолёта ближайшего будущего (а)(б) A350B787

Что дальше?

1. Замена существенной части металлических сплавов в планере КММ – боро-алюминий, композиты на основе титана с бОльшим модулем упругости, Двигатель 6-го поколения, построенный на композитах

Выбор стратегии 1. Догонять ? – Никогда не догоним! ДиП был возможен в 30-е годы 2. Опережать! – Вернём лидирующие позиции

M. Bourgeon (Snecma Propulsion Solide, France) Thermostructural Materials in Aerospace Industry: Applications and Standardization

Это есть главная политическая причина перехода на современные (ПМК) новые композиты

Следует понимать: Если в прошлом веке атрибутом развитой страны являлось производство стали, алюминия, титана и тп, то в первой половине 21 века таковым ЯВЛЯЕТСЯ (УЖЕ ЯВЛЯЕТСЯ!) производство конструкционных волокон (углеволокна, оксидные, карбид-кремниевые - примеры)

Если в прошлом веке атрибутом развитой страны являлось производство стали, алюминия, титана и тп, то в первой половине 21 века таковым ЯВЛЯЕТСЯ (УЖЕ ЯВЛЯЕТСЯ!) производство конструкционных волокон – углеволокна т, карбид-кремниевых 70 т

Технологические платформы Минэкономразвития

Композиты с металлическим, интерметаллидными и керамическими матрицами