Композитні матеріализ металевою матрицею. Для роботи при більш високих температурахзастосовують металеві матриці.

Металеві КМ мають ряд переваг перед полімерними. Крім більш високої робочої температури, вони характеризуються кращою ізотропією та більшою стабільністю властивостей у процесі експлуатації, вищою ерозійною стійкістю.

Пластичність металевих матриць повідомляє конструкції необхідну в'язкість. Це сприяє швидкому вирівнюваннюлокальних механічних навантажень.

Важливою перевагою металевих КМ є більш висока технологічність процесу виготовлення, формування, термообробки, формування з'єднань та покриттів.

Перевагою композиційних матеріалів на металевій основі є вищі значення характеристик, що залежать від властивостей матриці. Це насамперед тимчасовий опір і модуль пружності при розтягуванні в напрямку, перпендикулярному до осі армуючих волокон, міцність при стисканні та згинанні, пластичність, в'язкість руйнування. Крім того, композиційні матеріали з металевою матрицею зберігають свої характеристики міцності до більш високих температур, ніж матеріали з неметалічної основою. Вони більш вологостійкі, негорючі, мають електричну провідність. Висока електропровідність металевих КМ добре захищає їх від електромагнітного випромінювання, блискавки, знижує небезпеку статичної електрики. Висока теплопровідність металевих КМ оберігає від локальних перегрівів, що особливо важливо для таких виробів, як наконечники ракет та провідні кромки крил.

Найбільш перспективними матеріалами для матриць металевих композиційних матеріалів є метали, що мають невелику щільність (А1, Мg, Тi), і сплави на їх основі, а також нікель - широко застосовується в даний час як основний компонент жароміцних сплавів.

Композити отримують різними методами. До них відносяться просочення пучка волокон рідкими розплавами алюмінію та магнію, плазмове напиленнязастосування методів гарячого пресування іноді з подальшою гідроекструзією або прокаткою заготовок. При армуванні безперервними волокнами композицій типу "сендвіч", що складаються з шарів алюмінієвої фольги і волокон, що чергуються, застосовують прокатку, гаряче пресування, зварювання вибухом, дифузійне зварювання. Виливок прутків і труб, армованих високоміцними волокнами, одержують із рідкометалевої фази. Пучок волокон безперервно проходить через ванну з розплавом і просочується під тиском рідким алюмінієм або магнієм. При виході з просочувальної ванни волокна з'єднуються і пропускаються через фільєру, що формує дротик або трубу. Цей метод забезпечує максимальне наповнення композиту волокнами (до 85%), їх однорідний розподіл у поперечному перерізі та безперервність процесу.

Матеріали із алюмінієвою матрицею.Матеріали з алюмінієвою матрицею в основному армують сталевим дротом (КАС), борним волокном (ВКА) та вуглецевим волокном (СКУ). Як матрицю використовують як технічний алюміній (наприклад, АД1), так і сплави (АМг6, В95, Д20 та ін).

Використання як матриця сплаву (наприклад, В95), що зміцнюється термообробкою (загартування та старіння), дає додатковий ефект зміцнення композиції. Однак у напрямку осі волокон він невеликий, тоді як у поперечному напрямку, де властивості визначаються переважно властивостями матриці, досягає 50%.

Найбільш дешевим, досить ефективним та доступним армуючим матеріалом є високоміцний сталевий дріт. Так, армування технічного алюмінію дротом із сталі ВНС9 діаметром 0,15 мм (σ = 3600 МПа) збільшує його міцність в 10-12 разів при об'ємному вмісті волокна 25% і в 14-15 разів при збільшенні вмісту до 40%, після чого тимчасове опір досягає відповідно 1000-1200 і 1450 МПа. Якщо для армування використовувати дріт меншого діаметра, тобто більшої міцності (в = 4200 МПа), тимчасовий опір композиційного матеріалу збільшиться до 1750 МПа. Таким чином, алюміній, армований сталевим дротом (25-40%), за основними властивостями значно перевершує навіть високоміцні алюмінієві сплави та виходить на рівень відповідних властивостей титанових сплавів. При цьому густина композицій знаходиться в межах 3900-4800 кг/м 3 .

Зміцнення алюмінію та його сплавів дорожчими волокнами В, С, А1 2 Про е підвищує вартість композиційних матеріалів, але при цьому ефективніше покращуються деякі властивості: наприклад, при армуванні борними волокнами модуль пружності збільшується а 3-4 рази, вуглецеві волокна сприяють зниженню щільності. Бор мало зміцнюється з підвищенням температури, тому композиції, армовані борними волокнами, зберігають високу міцність до 400-500 °С. Промислове застосуваннязнайшов матеріал, що містить 50 об.% безперервних високоміцних та високомодульних волокон бору (ВКА-1). За модулем пружності та тимчасового опору в інтервалі температур 20-500°С він перевершує всі стандартні алюмінієві сплави, у тому числі високоміцні (В95), і сплави, спеціально призначені для роботи при високих температурах (АК4-1), що наочно представлено на рис. 13.35.Висока демпфуюча здатність матеріалу забезпечує віброміцність виготовлених з нього конструкцій. Щільність сплаву дорівнює 2650 кг/м 3 а питома міцність-45 км. Це значно вище, ніж у високоміцних сталей та титанових сплавів.

Розрахунки показали, що заміна сплаву В95 на титановий сплав при виготовленні лонжерону крила літака з підкріплюючими елементами з ВКА-1 збільшує його жорсткість на 45% і економію дає в масі близько 42%.

Композиційні матеріалина алюмінієвій основі, армовані вуглецевими волокнами (СКУ), дешевше та легше, ніж матеріали з борними волокнами. І хоча вони поступаються останнім за міцністю, мають близьку питому міцність (42 км). Однак виготовлення композиційних матеріалів з вуглецевим зміцнювачем пов'язане з великими технологічними труднощами внаслідок взаємодії вуглецю з металевими матрицями при нагріванні, що викликає зниження міцності матеріалу. Для усунення цього недоліку застосовують спеціальні покриття вуглецевих волокон.

Матеріали із магнієвою матрицею.Матеріали з магнієвою матрицею (ВКМ) характеризуються меншою щільністю (1800-2200 кг/м 3), ніж з алюмінієвою, приблизно такою ж високою міцністю 1000-1200 МПа і тому більш високою питомою міцністю. Магнієві сплави (МА2 та ін), що деформуються, армовані борним волокном (50 об. %), мають питому міцність > 50 км. Хороша сумісністьмагнію та його сплавів з борним волокном, з одного боку, дозволяє виготовляти деталі методом просочення практично без подальшої механічної обробки, з іншого - забезпечує великий ресурс роботи деталей за підвищених температур. Питома міцність цих матеріалів підвищується завдяки застосуванню як матриця сплавів, легованих легким літієм, а також в результаті використання легшого вуглецевого волокна. Але, як було зазначено раніше, введення вуглецевого волокна ускладнює технологію і так нетехнологічних сплавів. Як відомо, магній і його сплави мають низьку технологічну пластичність, схильність до утворення пухкої оксидної плівки.

Композиційні матеріали на основі титану.При створенні композиційних матеріалів на титановій основі зустрічаються труднощі, спричинені необхідністю нагрівання до високих температур. За високих температур титанова матриця стає дуже активною; вона набуває здатності до газопоглинання, взаємодії з багатьма зміцнювачами: бором, карбідом кремнію, оксидом алюмінію та ін. У результаті утворюються реакційні зони, знижується міцність як самих волокон, так і композиційних матеріалів загалом. І, крім того, високі температури призводять до рекристалізації та розміцнення багатьох армуючих матеріалів, що знижує ефект зміцнення від армування. Тому для зміцнення матеріалів з титановою матрицею використовують дріт з берилію та керамічних волокон тугоплавких оксидів (А1 2 0 3), карбідів (SiС), а також тугоплавких металів, що мають великий модуль пружності і високу температуру рекристалізації (Мо, W). Причому метою армування є переважно підвищення і так високої питомої міцності, а збільшення модуля пружності і підвищення робочих температур. Механічні властивості титанового сплаву ВТ6 (6 % А1, 4 % V, решта А1), армованого волокнами Мо, Ве та SiС, представлені у табл. 13.9. Як видно з. таблиці найбільш ефективно питома жорсткість підвищується при армуванні волокнами карбіду кремнію.

Армування сплаву ВТ6 молібденовим дротом сприяє збереженню високих значень модуля пружності до 800 "С. Його величина при цій температурі відповідає 124 ГПа, тобто знижується на 33%, тоді як опір тимчасового розриву при цьому зменшується до 420 МПа, тобто. більш ніж 3 разу.

Композиційні матеріали на основі нікелю. Жароміцні КМ виготовляють на основі сплавів нікелю та кобальту, зміцнених керамічними (SiC, Si 3 Ni 4 , Al 2 O 3) та вуглецевими волокнами. Основне завдання під час створення композиційних матеріалів на нікелевій основі (ВКН) полягає у підвищенні робочих температур вище 1000 °С. І одним із найкращих металевих зміцнювачів, здатних забезпечити хороші показники міцності за таких високих температур, є вольфрамовий дріт. Введення вольфрамового дроту в кількості від 40 до 70 об.% сплав нікелю з хромом забезпечує міцність при 1100°С протягом 100 год відповідно 130 і 250 МПа, тоді як кращий неармований нікелевий сплав, призначений для роботи в аналогічних умовах, має міцність МПа. Використання для армування дроту із сплавів вольфраму з ренією або гафнієм збільшує цей показник на 30-50%.

Композиційні матеріали застосовують у багатьох галузях промисловості і насамперед в авіації, ракетній та космічної техніки, де особливо велике значеннямає зниження маси конструкцій при одночасному підвищенні міцності та жорсткості. Завдяки високим питомим характеристикам міцності та жорсткості їх використовують при виготовленні, наприклад, горизонтальних стабілізаторів та закрилків літаків, лопатей гвинтів та контейнерів вертольотів, корпусів та камер згоряння реактивних двигунів та ін. , збільшило корисне навантаження без зниження швидкості та дальності польоту

В даний час композиційні матеріали застосовують в енергетичному турбобудуванні (робочі та соплові лопатки турбіни), автомобілебудуванні (кузови автомобілів та рефрижераторів, деталі двигунів), машинобудуванні (корпуси та деталі машин), хімічній промисловості (автоклави, цистерни, ємності), суднобудуванні (корпусу човнів, катерів, гребні гвинти) та ін.

Особливі властивостікомпозиційних матеріалів дозволяють використовувати їх як електроізоляційні матеріали (органоволокніти), радіопрозорих обтічників (скловолокніти), підшипників ковзання (карбоволокніти) та інших деталей.

Композитні матеріали із керамічною матрицею.Для найвищих робочих температур як матричний матеріал застосовують кераміку. Як керамічні матриці використовують силікатні (SiO 2), алюмосилікатні (Al 2 O 3 - SiO 2), алюмоборосилікатні (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2) матеріали, тугоплавкі оксиди алюмінію (Al 2 O 3), цирконію. (ZrO 2), берилію (BeO), нітрид кремнію (Si 3 N 4), бориди титану (TiB 2) та цирконію (ZrB 2), карбіди кремнію (SiC) та титану (TiC). Композити з керамічною матрицею мають високу температуру плавлення, стійкість до окислення, термоудари і вібрації, міцність при стисканні. Керамічні КМ на основі карбідів та оксидів з добавками металевого порошку (< 50об. %) называются керметами . Крім порошків для армування керамічних КМ використовують металевий дріт із вольфраму, молібдену, ніобію, жароміцної сталі, а також неметалеві волокна (керамічні та вуглецеві). Використання металевого дроту створює пластичний каркас, що оберігає КМ від руйнування при розтріскуванні крихкої керамічної матриці. Недоліком керамічних КМ, армованих металевими волокнами, є низька жаростійкість. Високу жаростійкість мають КМ з матрицею з тугоплавких оксидів (можна використовувати до 1000 ° C), боридів і нітридів (до 2000 ° C), карбідів (понад 2000 ° C). При армуванні керамічних КМ волокнами карбіду кремнію досягається висока міцність зв'язку між ними та матрицею у поєднанні зі стійкістю до окислення при високих температурах, що дозволяє використовувати їх для виготовлення важконавантажених деталей (високотемпературні підшипники, ущільнення, робочі лопатки) газотурбінних двигунівта ін). Основний недолік кераміки - відсутність пластичності - деякою мірою компенсується армуючими волокнами, що гальмують поширення тріщин у кераміці.

Вуглецю-вуглецевий композит . Використання як матричного матеріалу аморфного вуглецю, а як армуючого матеріалу - волокон з кристалічного вуглецю (графіту) дозволило створити композит, що витримує нагрівання до 2500 °С. Такий вуглець-вуглецевий композит перспективний для космонавтики та заатмосферної авіації.Нестача вуглецевої матриці полягає у можливому окисленні та абляції. Для запобігання цим явищам композит покривають тонким шаромкарбіду кремнію.

Вуглецева матриця, подібна до фізико-хімічним властивостямвуглецевому волокну, забезпечує термостійкість УУКМ

Найбільш широке застосуваннязнайшли два способи одержання вуглець-вуглецевих композитів:

1. карбонізація полімерної матриці заздалегідь сформованої вуглепластикової заготовкишляхом високотемпературної термообробки в неокислювальному середовищі;

2. осадження з газової фази піровуглецю,утворюється при термічному розкладанні вуглеводнів у порах вуглеволокнистої підкладки.

Обидва ці способи мають свої переваги та недоліки. При створенні УУКМ їх часто комбінуютьнадання композиту необхідних властивостей.

Карбонізація полімерної матриці.Процес карбонізації являє собою термообробку виробу з вуглепластику до температури 1073 К в неокислюючому середовищі (інертний газ, вугільна засипка і т.д.). Мета термообробки - переведення сполучного в кокс. У процесі карбонізації відбувається термодеструкція матриці, що супроводжується втратою маси, усадкою, утворенням великої кількостіпір і зниженням внаслідок цього фізико- механічних властивостейкомпозиту.

Карбонізація проводиться найчастіше в ретортних печах опору. Реторта, виготовлена ​​з жароміцного сплаву, оберігає виріб від окиснення киснем повітря, а нагрівальні елементита ізоляцію - від попадання на них летких корозійно-активних продуктів піролізу сполучного та забезпечує рівномірність обігріву реакційного об'єму печі.

Механізм та кінетика карбонізації визначаються співвідношенням швидкостей дисоціації хімічних зв'язківі рекомбінації радикалів, що утворилися. Процес супроводжується видаленням смолистих сполук, що випаровуються, і газоподібних продуктів і утворенням твердого коксу, що збагачується атомами вуглецю. Тому в процесі карбонізації ключовим моментомє вибір температурно-часового режиму, який повинен забезпечувати максимальне утворення коксового залишку з сполучного, оскільки механічна міцність карбонизированного композиту залежить, крім іншого, від кількості коксу, що утворився.

Чим більше габаритивироби, тим тривалішим має бути процес карбонізації. Швидкість підйому температури при карбонізації - від кількох градусів до кількох десятків градусів за годину, тривалість процесу карбонізації 300 год і більше. Карбонізація закінчується зазвичай в інтервалі температур 1073-1773 До, відповідних температурному інтервалу переходу вуглецю в графіт.

Властивості УУКМ значною мірою залежать від виду вихідного сполучного, як який застосовуються синтетичні органічні смоли, що дають високий коксовий залишок. Найчастіше для цієї мети застосовують фенолформальдегідні смоли внаслідок їх технологічності, доступності низької вартості, кокс, що утворився в цьому процесі, має високу міцність.

Фенолформальдегідним смолам властиві певні недоліки. Внаслідок поліконденсаційного характеру їх затвердіння та виділення при цьому летких сполукважко одержати однорідну щільну структуру. Величина усадки при карбонізації фенолформальдегідних сполучних більше, ніж для інших типів сполучних, що застосовуються при виробництві УУКМ, що призводить до виникнення внутрішніх напруг у карбонізованому композиті та зниження його фізико-механічних властивостей.

Більш щільний кокс дають фуранові сполучні. Усадка їх при карбонізації менше, а міцність коксу вища, ніж у фенолформальдегідних смол. Тому, незважаючи на складніший цикл затвердіння, що зв'язують на основі фурфуролу, фурфуріліденацетонів, фурилового спирту також застосовуються при виробництві УУКМ.

Дуже перспективні для отримання вуглецевої матриці кам'яновугільні та нафтові пеки внаслідок великого змістувуглецю (до 92-95%) та високого коксового числа. Перевагами пеків перед іншими сполучними є доступність і низька вартість, виключення розчинника з технологічного процесу, хороша графітованість коксу та його висока щільність. До недоліків пеків можна віднести утворення значної пористості, деформацію виробу, наявність у складі канцерогенних сполук, що вимагає додаткових заходівбезпеки.

Внаслідок виділення летких сполук при термодеструкції смоли в карбонізованому пластику виникає значна пористість, що знижує фізико-механічні властивостіУУКМ. Тому стадією карбонізації вуглепластика завершується процес отримання лише пористих матеріалів, для яких не потрібна висока міцність, наприклад, низькощільних УУК теплоізоляційного призначення. Зазвичай для усунення пористості та підвищення щільності карбонізований матеріал знову просочується сполучною та карбонізується (цей цикл може повторюватися неодноразово). Повторне просочення проводиться в автоклавах в режимі «вакуум-тиск», тобто спочатку заготівля нагрівається у вакуумі, після чого подається сполучна і створюється надлишковий тискдо 0,6-1,0 МПа. При просоченні використовуються розчини і розплави сполучних, причому пористість композиту з кожним циклом зменшується, тому необхідно використовувати сполучні зниженою в'язкістю. Ступінь ущільнення при повторному просоченні залежить від типу сполучного, коксового числа, пористості виробу та ступеня заповнення пір. Зі зростанням щільності при повторному просоченні підвищується і міцність матеріалу. Цим методом можна отримувати УУКМ із густиною до 1800 кг/м 3 і вище. Метод карбонізації вуглепластика порівняно простий, він не вимагає складної апаратури, забезпечує хорошу відтворюваність властивостей матеріалу виробів, що отримуються. Однак необхідність багаторазового проведення операцій ущільнення значно подовжує та подорожчає процес отримання виробів із УУКМ, що є серйозним недоліком зазначеного методу.

При отриманні УУКМ з способу осадження піровуглецю з газової фазигазоподібний вуглеводень (метан, бензол, ацетилен і т. д.) або суміш вуглеводню і розбавляє газу (інертний газ або водень) дифундує через пористий вуглеволокнистий каркас, де під дією високої температури відбувається розкладання вуглеводню на нагрітій поверхні волокна. Піровуглець, що осаджується, поступово створює сполучні містки між волокнами. Кінетика осадження та структура одержуваного піровуглецю залежать від багатьох факторів: температури, швидкості потоку газу, тиску, реакційного об'єму та ін. Властивості одержуваних композитів визначаються також типом та вмістом волокна, схемою армування.

Процес осадження проводиться у вакуумі або під тиском в печах індукційних, а також в печах опору.

Розроблено кілька технологічних методів одержання піровуглецевої матриці.

При ізотермічному методізаготівля знаходиться в камері, що рівномірно обігрівається. Рівномірність обігріву в індукційній печі забезпечується за допомогою тепловиділяючого елемента - сусцептора, що виготовляється з графіту. Вуглеводневий газ подається через днище печі та дифундує через реакційний об'єм та заготівлю; газоподібні продукти реакції видаляються через вихідний отвір кришці печі.

Процес проводиться зазвичай при температурі 1173-1423 К та тиску 130-2000 кПа. Зменшення температури призводить до зниження швидкості осадження та надмірного подовження тривалості процесу. Збільшення температури прискорює осадження піровуглецю, але при цьому газ не встигає дифундувати в об'єм заготівлі і відбувається поверхневе нашарування піровуглецю. Тривалість процесу досягає сотень годин.

Ізотермічний метод зазвичай застосовується для виготовлення тонкостінних деталей, оскільки в цьому випадку заповнюються переважно пори, що знаходяться на поверхні виробу.

Для об'ємного насичення пор та отримання товстостінних виробів застосовується неізотермічний метод, що полягає у створенні в заготівлі температурного градієнта шляхом приміщення її на оправу, що обігрівається, або сердечник або прямим розігрівом її струмом. Вуглеводневий газ подається з боку, що має більше низьку температуру. Тиск у печі зазвичай дорівнює атмосферному. В результаті осадження піровуглецю відбувається у найбільш гарячій зоні. Охолодна дія газу, що протікає над поверхнею з високою швидкістю, є основним способом досягнення температурного градієнта.

Підвищення щільності та теплопровідності композиту призводить до переміщення температурного фронту осадження, що забезпечує в кінцевому підсумку об'ємне ущільнення матеріалу та одержання виробів з високою густиною (1700-1800 кг/м 3 ).

Для ізотермічного методу отримання УУКМ з піровуглецевою матрицею характерні такі переваги: ​​хороша відтворюваність властивостей; простота технічного оформлення; висока щільність і хороша графітованість матриці; можливість обробки одночасно кількох виробів.

До недоліків відносяться: мала швидкість осадження; поверхневе осадження піровуглецю; погане заповнення великих пір.

Неізотермічний метод має такі переваги: ​​велику швидкість осадження; можливість заповнення великих пір; об'ємне ущільнення виробу.

Його недоліки полягають у наступному: складне апаратурне оформлення; обробляється лише один виріб; недостатня щільність і графітованість матриці; утворення мікротріщин.

3.4.4. Високотемпературна термообробка (графітація) УУКМ.Структура карбонізованих пластиків та композитів з піровуглецевою матрицею після ущільнення з газової фази недосконала. Міжшарове відстань d 002 , що характеризує ступінь упорядкованості вуглецевої матриці, відносно велико - понад 3,44 10 4 мкм, а розміри кристалів порівняно малі - зазвичай не більше 510 -3 мкм, що характерно для двомірного впорядкування базисних шарів вуглецю. Крім того, в ході процесу отримання в них можуть виникати внутрішні напруги, здатні призвести до деформацій і спотворень структури виробу при експлуатації цих матеріалів при температурі вище за температуру карбонізації або осадження піровуглецю. Тому при необхідності одержання більш термостабільного матеріалу проводять його високотемпературну обробку. Кінцева температура термообробки визначається умовами експлуатації, але лімітується сублімацією матеріалу, яка інтенсивно протікає при температурі понад 3273 К. Термообробка проводиться в індукційних печахабо печах опору в неокислювальному середовищі (графітове засипання, вакуум, інертний газ). Зміна властивостей вуглець-вуглецевих матеріалів у процесі високотемпературної термообробки визначається багатьма факторами: типом наповнювача та матриці, кінцевою температурою та тривалістю термообробки, видом середовища та її тиском та ще іншими факторами. При високих температурах долаються енергетичні бар'єри у вуглецевому матеріалі, що перешкоджають переміщенню багатоядерних сполук, їх приєднанню та взаємній переорієнтації з більшим ступенемущільнення.

Тривалість цих процесів невелика і ступінь перетворення визначається переважно температурою. Тому тривалість процесів високотемпературної термообробки значно менша, ніж у разі карбонізації або осадження піровуглецю, і становить зазвичай кілька годин. При високотемпературній термообробці карбонізованих пластиків відбуваються незворотні деформації виробу, поступове «заліковування» дефектів. Для матеріалів, що добре графітуються, на основі пеків при температурах понад 2473 К спостерігається інтенсивне зростання тривимірноупорядкованих вуглецевих кристаллітів аж до переходу до графітової структури. У той же час у карбонизированних пластиках на основі погано графітованих полімерних сполучних дефекти структури зберігаються до 3273 К і матеріал залишається в неграфітованій структурній формі.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ТА КЛАСИФІКАЦІЯ

Традиційно застосовувані металеві та неметалеві матеріали значною мірою досягли своєї межі конструктивної міцності. Разом з тим розвиток сучасної техніки потребує створення матеріалів, що надійно працюють у складній комбінації силових та температурних полів, при впливі агресивних середовищ, випромінювань, глибокого вакууму та високих тисків. Найчастіше вимоги до матеріалів можуть носити суперечливий характер. Вирішення цієї задачі можна здійснити шляхом використання композиційних матеріалів.

Композиційним матеріалом(КМ) або композитом називають об'ємну гетерогенну систему, що складається з сильно різняться за властивостями, взаємно нерозчинних компонентів, будова якої дозволяє використовувати переваги кожного з них.

Принцип побудови КМ людина запозичив у природи. Типовими композиційними матеріалами є стовбури дерев, стебла рослин, кістки людини та тварин.

КМ дозволяють мати задане поєднання різнорідних властивостей: високої питомої міцності та жорсткості, жароміцності, зносостійкості, теплозахисних властивостей та ін. Спектр властивостей КМ неможливо отримати при використанні звичайних матеріалів. Їх застосування дозволяє створювати раніше недоступні, принципово нові конструкції.

Завдяки КМ став можливий новий якісний стрибок у збільшенні потужності двигунів, зменшенні маси машин та конструкцій та підвищенні вагової ефективності транспортних засобів та авіаційно-космічних апаратів.

Важливими характеристиками матеріалів, що працюють у цих умовах, є питома міцність у /ρ і питома жорсткість Е/ρ де σ в - тимчасовий опір, Е- модуль нормальної пружності, ρ – густина матеріалу.

Високоміцні сплави, як правило, мають низьку пластичність, високу чутливість до концентраторів напруги та порівняно. низький опіррозвитку тріщин втоми. Хоча композиційні матеріали можуть мати також невисоку пластичність, вони значно менш чутливі до концентраторів напруг і краще опираються руйнуванню втоми. Це пояснюється різним механізмом утворення тріщин у високоміцних сталей і сплавів. У високоміцних сталях тріщина, досягнувши критичного розміру, надалі розвивається прогресуючим темпом.

У композиційних матеріалах діє інший механізм. Тріщина, рухаючись у матриці, зустрічає перешкоду межі розділу матриця-волокно. Волокна гальмують розвиток тріщин, і їхня присутність у пластичній матриці призводить до зростання в'язкості руйнування.

Таким чином, у композиційній системі поєднуються дві протилежні властивості, необхідні для конструкційних матеріалів - висока міцність за рахунок високоміцних волокон і достатня в'язкість руйнування завдяки пластичній матриці та механізму розсіювання енергії руйнування.

КМ складаються з порівняно пластичного матричного матеріалу-основи і твердіших і міцніших компонентів, що є наповнювачами. Властивості КМ залежать від властивостей основи, наповнювачів та міцності зв'язку між ними.

Матриця пов'язує композицію в моноліт, надає їй форми і служить передачі зовнішніх навантажень арматурі з наповнювачів. Залежно від матеріалу основи розрізняють КМ з металевою матрицею або металеві композиційні матеріали (МКМ), з полімерної - полімерні композиційні матеріали (ПКМ) і з керамічної - керамічні композиційні матеріали (ККМ).

Провідну роль у зміцненні КМ грають наповнювачі, які часто називають зміцнювачами. Вони мають високу міцність, твердість та модуль пружності. За типом зміцнюючих наповнювачів КМ поділяють на дисперснозміцнені,волокнистіі шаруваті(Рис. 28.2).

Мал. 28.2.Схеми будови композиційних матеріалів: а) дисперснозміцнені; б) волокнисті; в) шаруваті

У дисперснозміцнені КМ штучно вводять дрібні, рівномірно розподілені тугоплавкі частинки карбідів, оксидів, нітридів та ін, що не взаємодіють з матрицею і не розчиняються в ній аж до температури плавлення фаз. Чим дрібніші частки наповнювача і менше відстань між ними, тим міцніше КМ. На відміну від волокнистих, дисперснозміцнених КМ основним несучим елементом є матриця. Ансамбль дисперсних частинок наповнювача зміцнює матеріал за рахунок опору руху дислокацій при навантаженні, що ускладнює пластичну деформацію. Ефективний опір руху дислокацій створюється аж до температури плавлення матриці, завдяки чому дисперснозміцнені КМ відрізняються високою жароміцністю та опором повзучості.

Арматурою у волокнистих КМ можуть бути волокна різної форми: нитки, стрічки, сітки різного плетіння. Армування волокнистих КМ може здійснюватися за одновісною, двовісною та тривісною схемою (рис. 28.3, а).

Міцність та жорсткість таких матеріалів визначається властивостями армуючих волокон, що сприймають основне навантаження. Армування дає більший приріст міцності, але дисперсне зміцнення технологічно легше можна здійснити.

Шаруваті композиційні матеріали (рис. 28.3, б) набираються з шарів наповнювача, що чергуються, і матричного матеріалу (типу «сендвіч»). Шари наповнювача таких КМ можуть мати різну орієнтацію. Можливе почергове використання шарів наповнювача з різних матеріалів із різними механічними властивостями. Для шаруватих композицій зазвичай використовують неметалеві матеріали.

Мал. 28.3.Схеми армування волокнистих ( а) та шаруватих ( б) композиційних матеріалів

ДИСПЕРСНОЗміцнені композиційні матеріали

При дисперсному зміцненні частки блокують ковзання в матриці. Ефективність зміцнення за умови мінімальної взаємодії з матрицею залежить від виду частинок, їх об'ємної концентрації, а також рівномірності розподілу в матриці. Застосовують дисперсні частинки тугоплавких фаз типу Al 2 O 3 SiO 2 BN, SiC, що мають малу щільність і високий модуль пружності. КМ зазвичай отримують методом порошкової металургії, важливою перевагою якого є ізотропність властивостей у різних напрямках.

У промисловості зазвичай застосовують дисперснозміцнені КМ на алюмінієвій та, рідше, нікелевій основах. Характерними представниками цього виду композиційних матеріалів є матеріали типу САП (спечена алюмінієва пудра), які складаються з алюмінієвої матриці, яка зміцнена дисперсними частинками оксиду алюмінію. Алюмінієвий порошок отримують розпиленням розплавленого металу з подальшим подрібненням у кульових млинах до розміру близько 1 мкм у присутності кисню. Зі збільшенням тривалості помелу пудра стає дрібнішим і в ній підвищується вміст оксиду алюмінію. Подальша технологія виробництва виробів та напівфабрикатів із САП включає холодне пресування, попереднє спікання, гаряче пресування, прокатку або видавлювання спеченої алюмінієвої заготівлі у формі готових виробів, які можна піддавати додатковому термічному обробленню.

Сплави типу САП задовільно деформуються у гарячому стані, а сплави з 6–9 % Al 2 O 3 - та при кімнатній температурі. З них холодним волочінням можна отримати фольгу завтовшки до 0,03 мм. Ці матеріали добре обробляються різанням і мають високу корозійну стійкість.

Марки САП, застосовувані у Росії, містять 6–23 % Al 2 O 3 . Розрізняють САП-1 із вмістом 6–9, САП-2 – з 9–13, САП-3 – з 13–18 % Al 2 O 3 . Зі збільшенням об'ємної концентрації оксиду алюмінію зростає міцність композиційних матеріалів. При кімнатній температурі характеристики міцності САП-1 такі: у = 280 МПа, 0,2 = 220 МПа; САП-3 такі: у = 420 МПа, 0,2 = 340 МПа.

Матеріали типу САП мають високу жароміцність і перевершують всі деформовані алюмінієві сплави. Навіть при температурі 500 °С їх у не менше 60–110 МПа. Жароміцність пояснюється гальмуючим дією дисперсних частинок на процес рекристалізації. Показники міцності сплавів типу САП дуже стабільні. Випробування тривалої міцності сплавів типу САП-3 протягом 2 років практично не вплинули на рівень властивостей при кімнатній температурі, так і при нагріванні до 500 °С. При 400 °С міцність САП в 5 разів вища за міцність старіючих алюмінієвих сплавів.

Сплави типу САП застосовують в авіаційній техніці для виготовлення деталей з високою питомою міцністю та корозійною стійкістю, що працюють за температур до 300–500 °С. З них виготовляють штоки поршнів, лопатки компресорів, оболонки тепловиділяючих елементів та труби теплообмінників.

Методом порошкової металургії одержують КМ з використанням дисперсних частинок карбіду кремнію SiC. Хімічна сполука SiC має низку позитивних властивостей: високої температури плавлення (понад 2650 °С), високою міцністю(близько 2000 МПа) та модулем пружності (» 450 ГПа), малою щільністю (3200 кг/м 3 ) та гарною корозійною стійкістю. Випуск абразивних порошків кремнію освоєно промисловістю.

Порошки алюмінієвого сплаву і SiC змішують, піддають попередньому компактування під невеликим тиском, потім гарячого пресування сталевих контейнерах у вакуумі при температурі плавлення матричного сплаву, тобто в твердо-рідкому стані. Отриману заготовку піддають вторинної деформації з метою отримання напівфабрикатів необхідної форми та розміру: листів, прутків, профілів та ін.

Композиційні матеріали складаються з металевої матриці.(частіше А1, Mg, Ni та їх сплави), зміцненою високоміцними волокнами ( волокнисті матеріали) або тонкодисперсними тугоплавкими частинками, не розчиняються в основному металі (дисперсно-зміцнені матеріали).Металева матриця пов'язує волокна (дисперсні частинки) єдине ціле. Волокно (дисперсні частинки) плюс зв'язка (матриця), що становлять ту

Мал. 1

1 - зернистий (дисперсно-зміцнений) матеріал (l/d- I): 2 - дискретний волокнистий композиційний матеріал; 3 - безперервно волокнистий композиційний матеріал; 4 - безперервне укладання волокон; 5 - двомірне укладання волокон; 6,7 - об'ємне укладання волокон

або іншу композицію, отримали назву композиційні матеріали(Рис. 196).

Волокнисті композиційні матеріали.

На рис. 196 наведено схеми армування волокнистих композиційних матеріалів. Композиційні матеріали з волокнистим наповнювачем (зміцнювачем) за механізмом армуючої дії ділять на дискретні, в яких відношення довжини волокна до діаметра l/d «10-тЛ03, і ​​безперервним волокном, в яких l/d = с. Дискретні волокна розташовуються у матриці хаотично. Діаметр волокон від часток до сотень мікрометрів. Чим більше відношення довжини до діаметру волокна, тим вищий рівень зміцнення.

Часто композиційний матеріал є шаруватою структурою, в якій кожен шар армований більшим числомпаралельних безперервних волокон. Кожен шар можна армувати також безперервними волокнами, зітканими в тканину, яка є вихідною формою, по ширині і довжині, що відповідає кінцевому матеріалу. Нерідко волокна сплітають у тривимірні структури.

Композиційні матеріали відрізняються від звичайних сплавів вищими значеннями тимчасового опору та межі витривалості (на 50-100 %), модуля пружності, коефіцієнта жорсткості (Ely)і зниженою схильністю до тріщиноутворення. Застосування композиційних матеріалів підвищує жорсткість конструкції за одночасного зниження її металоємності.

Таблиця 44

Механічні властивості композиційних матеріалів на металевій основі

Міцність композиційних (волокнистих) матеріалів визначається властивостями волокон; матриця переважно повинна перерозподіляти напруги між армуючими елементами. Тому міцність і модуль пружності волокон повинні бути значно більшими, ніж міцність і модуль пружності матриці. Жорсткі армуючі волокна сприймають напруги, що виникають у композиції при навантаженні, надають їй міцність та жорсткість у напрямку орієнтації волокон.

Для зміцнення алюмінію, магнію та їх сплавів застосовують борні (про = 2500-*-3500 МПа, Е = 38ч-420 гПа) і вуглецеві (ст = 1400-г-3500 МПа, Е 160-450 ГПа) волокна, а також волокна з тугоплавких сполук (карбідів, нітридів, боридів і оксидів), що мають високу міцність і модуль пружності. Так, волокна карбіду кремнію діаметром 100 мкм мають ст = 2500-*т3500 МПа, Е= 450 гПа. Нерідко використовують як волокна дріт із високоміцних сталей.

Для армування титану та його сплавів застосовують молібденовий дріт, волокна сапфіру, карбіду кремнію та бориду титану.

Підвищення жароміцності нікелевих сплавів досягається армуванням їх вольфрамовим або молібденовим дротом. Металеві волокна використовують і в тих випадках, коли потрібні високі теплопровідність та електропровідність. Перспективними зміцнювачами для високоміцних і високомодульних волокнистих композиційних матеріалів є ниткоподібні кристали з оксиду і нітриду алюмінію, карбіду і нітриду кремнію, карбіду бору та ін, що мають а = 15 000-г-28 000 МПа Е= 400-*-600 гПа.

У табл. 44 наведено властивості деяких волокнистих композиційних матеріалів.

Композиційні матеріали на металевій основі мають високу міцність (ст в, а_х) і жароміцність, в той же час вони малопластичні. Однак волокна в композиційних матеріалах зменшують швидкість поширення тріщин, що зароджуються в матриці, і практично повністю виключають раптове

Мал. 197. Залежність модуля пружності Е(а)і тимчасового опору про (б) бороалюмінієвого композиційного матеріалу вздовж (/) і поперек (2) осі армування від об'ємного вмісту борного волокна

тендітна руйнація. Відмінною особливістюОдновісними волокнистими композиційними матеріалами є анізотропія механічних властивостей вздовж і поперек волокон і мала чутливість до концентраторів напруги.

На рис. 197 наведена залежність а і Ебороалюмінієвого композиційного матеріалу від вмісту борного волокна вздовж (/) і поперек ( 2 ) Осі армування. Чим більший об'ємний вміст волокон, тим вище а, a_ t і Евздовж осі армування. Однак необхідно враховувати, що матриця може передавати напруги волокнам тільки в тому випадку, коли існує міцний зв'язок на поверхні розділу волокна, що армує, - матриця. Для запобігання контакту між волокнами матриця повинна повністю оточувати всі волокна, що досягається при її вмісті не менше 15-20 %.

Матриця і волокно не повинні між собою взаємодіяти (повинна бути відсутня взаємна дифузія) при виготовленні або експлуатації, оскільки це може призвести до зниження міцності композиційного матеріалу.

Анізотропія властивостей волокнистих композиційних матеріалів враховується при конструюванні деталей для оптимізації властивостей шляхом узгодження поля опору полями напруги.

Армування алюмінієвих, магнієвих та титанових сплавів безперервними тугоплавкими волокнами бору, карбіду кремнію, дибориду титану та оксиду алюмінію значно підвищує жароміцність. Особливістю композиційних матеріалів є мала швидкість розміцнення в часі (рис. 198, а)із підвищенням температури.

Мал. 198. Тривала міцність бороалюмінісвого композиційного матеріалу, що містить 50% борного волокна, у порівнянні з міцністю титанових сплавів (а) і тривала міцність нікелевого композиційного матеріалу в порівнянні з міцністю дисперсійно-твердіючих сплавів (б):

/ - бороалюмнієвий композит; 2 - титановий метал; 3 - дисперсійно-зміцнений композиційний матеріал; 4 - дисперсійно-твердні сплави

Основним недоліком композиційних матеріалів з одно- та двовимірним армуванням є низький опір міжшаровому зсуву та поперечному обриву. Цього недоліку позбавлені матеріали об'ємним армуванням.

• Широко застосовують полімерні, керамічні та інші матриці.

До цього виду композиційних матеріалів відносяться матеріали типу САП (спечена алюмінієва пудра), які є алюмінієм, зміцненим дисперсними частинками оксиду алюмінію. Алюмінієвий порошок отримують розпиленням розплавленого металу з подальшим подрібненням у кульових млинах до розміру близько 1 мкм у присутності кисню. Зі збільшенням тривалості помелу пудра стає дрібнішим і в ній підвищується вміст оксиду алюмінію. Подальша технологія виробництва виробів та напівфабрикатів із САП включає холодне пресування, попереднє спікання, гаряче пресування, прокатку або видавлювання спеченої алюмінієвої заготівлі у формі готових виробів, які можна піддавати додатковому термічному обробленню.

Сплави типу САП застосовують в авіаційній техніці для виготовлення деталей з високою питомою міцністю та корозійною стійкістю, що працюють за температур до 300 - 500 °С. З них виготовляють штоки поршнів, лопатки компресорів, оболонки тепловиділяючих елементів та труби теплообмінників.

Армування алюмінію та його сплавів сталевим дротом підвищує їхню міцність, збільшує модуль пружності, опір втоми та розширює температурний інтервал служби матеріалу.

Армування короткими волокнами проводять методами порошкової металургії, що складаються з пресування з подальшою гідроекструзією або прокатування заготовок. При армуванні безперервними волокнами композицій типу сендвіч, що складаються з шарів, що чергуються. алюмінієвої фольгита волокон, застосовують прокатку, гаряче пресування, зварювання вибухом, дифузійне зварювання.

Дуже перспективним матеріалом є композиція алюміній-берилієвий дріт, в якій реалізуються високі фізико-механічні властивості берилієвої арматури і, в першу чергу, її низька щільність і висока питома жорсткість. Отримують композиції з берилієвим дротом дифузійним зварюванням пакетів з шарів берилієвого дроту і матричних листів. З алюмінієвих сплавів, армованих сталевим і берилієвим дротом, виготовляють корпусні деталі ракет і паливні баки.

У композиції «алюміній – вуглецеві волокна» поєднання низької щільності арматури та матриці дозволяє створити композиційні матеріали з високою питомою міцністю та жорсткістю. Недоліком вуглецевих волокон є їхня крихкість і висока реакційна здатність. Композицію алюміній - вуглець одержують просоченням вуглецевих волокон рідким металомчи методами порошкової металургії. Технологічно найбільш просто можна здійснити протягування пучків вуглецевих волокон через розплав алюмінію.

Композит алюміній-вуглець застосовують у конструкціях паливних баків сучасних винищувачів. Завдяки високій питомій міцності та жорсткості матеріалу маса паливних баків зменшується на 30 %. Цей матеріал використовують для виготовлення лопаток турбін авіаційних газотурбінних двигунів.

Композиційні матеріали з неметалевою матрицею

Композиційні матеріали з неметалевою матрицею знайшли широке застосування у промисловості. Як неметалічних матрицьвикористовують полімерні, вуглецеві та керамічні матеріали. З полімерних матриць найбільшого поширенняотримали епоксидна, фенолоформальдегідна, поліамідна. Вугільні матриці коксовані або отримують з синтетичних полімерів, підданих піролізу (розкладання, розпад). Матриця пов'язує композицію, надаючи їй форму. Зміцнювачами служать волокна: скляні, вуглецеві, борні, органічні, на основі ниткоподібних кристалів (оксидів, карбідів, боридів, нітридів та ін), а також металеві (дроти), що мають високу міцність і жорсткість.

Властивості композиційних матеріалів залежать від складу компонентів, їх поєднання, кількісного співвідношення та міцності зв'язку між ними.

Зміст зміцнювача в орієнтованих матеріалах становить 60 - 80 об. %, у неорієнтованих (з дискретними волокнами та ниткоподібними кристалами) – 20 - 30 об. %. Чим вище міцність і модуль пружності волокон, тим вища міцність та жорсткість композиційного матеріалу. Властивості матриці визначають міцність композиції при зсуві та стиску та опір втомному руйнуванню.

На вигляд зміцнювача композиційні матеріали класифікують на скловолокніти, карбоволокніти з вуглецевими волокнами, бороволокніти і органоволокніти.

У шаруватих матеріалах волокна, нитки, стрічки, просочені сполучною, укладаються паралельно один одному в площині укладання. Площинні шари збираються у пластини. Властивості виходять анізотропними. Для роботи матеріалу у виробі важливо враховувати напрямок діючих навантажень. Можна створювати матеріали як із ізотропними, так і з анізотропними властивостями. Можна укладати волокна під різними кутамиваріюючи властивості композиційних матеріалів. Від порядку укладання шарів за товщиною пакета залежать згинальні та крутильні жорсткості матеріалу.

Застосовується укладання зміцнювачів із трьох, чотирьох і більше ниток (рис. 7). Найбільше застосування має структура із трьох взаємно перпендикулярних ниток. Зміцнювачі можуть розташовуватися в осьовому, радіальному та окружному напрямках.

Тривимірні матеріали можуть бути будь-якої товщини у вигляді блоків, циліндрів. Об'ємні тканини збільшують міцність на відрив і опір зсуву порівняно з шаруватими. Система із чотирьох ниток будується шляхом розташування зміцнювача по діагоналях куба. Структура з чотирьох ниток рівноважна, має підвищену жорсткість при зсуві головних площинах. Однак створення чотирьох спрямованих матеріалів складніше, ніж три спрямовані.

Мал. 7. Схема армування композиційних матеріалів: 1 - прямокутна, 2-гексагональна, 3 - косокутна, 4 - з викривленими волокнами, 5 - система з n ниток

Найбільш ефективними з точки зору використання в найжорсткіших умовах сухого тертя є антифрикційні матеріали на основі політетрафторетилену (ПТФЕ).

Для ПТФЕ характерний досить високий статичний коефіцієнт тертя, однак у процесі тертя ковзання на поверхні ПТФЕ утворюється дуже тонкий шар високоорієнтованого полімеру, що сприяє вирівнюванню статичного та динамічного коефіцієнтів тертя і плавному руху при ковзанні. При зміні напрямку ковзання наявність орієнтованої поверхневої плівки викликає тимчасове збільшення коефіцієнта тертя, значення якого знову зменшується з переорієнтацією поверхневого шару. Така поведінка ПТФЕ при терті зумовила його широке застосування у промисловості, де переважно використовують не наповнений ПТФЕ для підшипників. У багатьох випадках підшипники, що не змащуються, повинні працювати при більш високих швидкостях тертя. При цьому для не наповненого ПТФЕ характерні високі значення коефіцієнта тертя та швидкості зносу. В якості матеріалів для підшипників, що не змащуються, що працюють в таких умовах, широке застосування знайшли композиційні матеріали, найчастіше на основі ПТФЕ.

Найбільш простим шляхом зменшення відносно високої швидкості зношування ПТФЕ при сухому терті є введення порошкоподібних наповнювачів. При цьому підвищується опір повзучості при стиску та спостерігається значне збільшення зносостійкості при сухому терті. Введення оптимальної кількості наповнювача дозволяє підвищити опір зношування до 10 4 разів.

Полімери та композиційні матеріали на їх основі мають унікальний комплекс фізико-механічних властивостей, завдяки яким вони успішно конкурують з традиційними конструкційними сталями та сплавами, а в ряді випадків без застосування полімерних матеріалів неможливо забезпечити необхідні функціональні характеристики та працездатність спеціальних виробів та машин. Висока технологічність і мала енергоємність технологій переробки пластмас у вироби разом із вище названими достоїнствами ПКМ роблять їх дуже перспективними матеріалами для деталей машин різного призначення.

Композиційні матеріали складаються з металевої матриці (частіше Al, Mg, Ni та їх сплави), зміцненої високоміцними волокнами (волокнисті матеріали) або тонкодисперсними тугоплавкими частинками, які не розчиняються в основному металі (дисперсно-зміцнені матеріали). Металева матриця пов'язує волокна (дисперсні частинки) єдине ціле. Волокно (дисперсні частинки) плюс зв'язка (матриця), що становлять ту чи іншу композицію, отримали назву композиційні матеріали.

Композиційні матеріали з неметалевою матрицею

Композиційні матеріали з неметалевою матрицею знайшли широке застосування. В якості неметалевих матриць використовують полімерні, вуглецеві та керамічні матеріали. З полімерних матриць найбільшого поширення набули епоксидна, фенолоформальдегідна та поліамідна.

Вугільні матриці коксовані або піровуглецеві одержують із синтетичних полімерів, підданих піролізу. Матриця пов'язує композицію, надаючи їй форму. Зміцнювачами служать волокна: скляні, вуглецеві, борні, органічні, на основі ниткоподібних кристалів (оксидів, карбідів, боридів, нітридів та інших), а також металеві (дроти), що мають високу міцність і жорсткість.

Властивості композиційних матеріалів залежать від складу компонентів, їх поєднання, кількісного співвідношення та міцності зв'язку між ними.

Армують матеріали можуть бути у вигляді волокон, джгутів, ниток, стрічок, багатошарових тканин.

Зміст зміцнювача в орієнтованих матеріалах становить 60-80 об.%, неорієнтованих (з дискретними волокнами і ниткоподібними кристалами) - 20-30 об.%. Чим вище міцність і модуль пружності волокон, тим вища міцність та жорсткість композиційного матеріалу. Властивості матриці визначають міцність композиції при зсуві та стиску та опір втомному руйнуванню.

На вигляд зміцнювача композиційні матеріали класифікують на скловолокніти, карбоволокніти з вуглецевими волокнами, бороволокніти і органоволокніти.

У шаруватих матеріалах волокна, нитки, стрічки, просочені сполучною, укладаються паралельно один одному в площині укладання. Плоскі шари збираються в пластини. Властивості виходять анізотропними. Для роботи матеріалу у виробі важливо враховувати напрямок діючих навантажень. Можна створити матеріали як із ізотропними, так і з анізотропними властивостями. Можна укладати волокна під різними кутами, варіюючи властивості композиційних матеріалів. Від порядку укладання шарів за товщиною пакета залежать згинальні та крутильні жорсткості матеріалу.

Застосовується укладання зміцнювачів із трьох, чотирьох і більше ниток.

Найбільше застосування має структура із трьох взаємно перпендикулярних ниток. Зміцнювачі можуть розташовуватися в осьовому, радіальному та окружному напрямках.

Тривимірні матеріали можуть бути будь-якої товщини у вигляді блоків, циліндрів. Об'ємні тканини збільшують міцність на відрив і опір зсуву порівняно з шаруватими. Система із чотирьох ниток будується шляхом розкладання зміцнювача по діагоналях куба. Структура з чотирьох ниток рівноважна, має підвищену жорсткість при зсуві головних площинах.

Однак створення чотирьох спрямованих матеріалів складніше, ніж три спрямовані.