Технология получения керамических композиционных материалов

ККМ получают преимущественно методами порошковой металлургии.

Для дисперсных ККМ применяют обычно механическое перемешивание компонентов в шаровых, вибрационных или планетарных мельницах.

Другие типы ККМ получают послойным распределением металлического компонента (порошка, нитей, фольги) и порошковой керамики.

Широко распространен метод химического осаждения на поверхность керамических частиц солей металлов с последующим их разложением до металла.

Методами высокотемпературного или термического восстановления возможно получать включения металлов в объеме оксидов.

Для формирования ККМ с непрерывным металлическим каркасом используют методы осаждения тонких пленок металла на поверхности керамических частиц с помощью электролиза и электрофореза.

К физическим методам регулирования содержания компонентов ККМ относятся пропитка спеченного керамического каркаса металлом и осаждение металла из газовой фазы на керамические частицы.

Изделия из смеси компонентов ККМ получают формованием заготовок с последующим их спеканием. Формование заготовок осуществляют уплотнением порошковых смесей – сухих или содержащих пластификаторы.

Для формования простых по форме и небольших по размерам деталей используют традиционные методы прессования: вибрационное, в пресс-формах, гидростатическое, в упругих оболочках и т.д.

Длинномерные изделия получают методом экструзии.

Для повышения технологичности прессования в смеси вводят пластификаторы в дозах, достаточных для покрытия каждой частицы тонкой пленкой.

Крупногабаритные изделия формируют литьем водных шликеров в гипсовые формы. Заготовки изделий сложной конфигурации с повышенной точностью геометрических размеров получают из шликеров на термопластичной связке (полимеры, воск, парафин).

Технология формования изделий из ККМ, армированных металлическими нитями, усами, проволокой, сетками, более сложна.

Изделия из ККМ с нитевидными кристаллами формируют суспензионным методом. Суспензию порошкообразных компонентов керамики в технологической жидкости небольшими порциями заливают в формы с пористым или сетчатым дном.

Выбор метода изготовления изделий из ККМ, содержащих волокна, нити, усы, индивидуален для каждого конкретного состава материала.

Спекание заготовок ККМ осуществляют в печах с регулируемой газовой средой. Компоненты ККМ при спекании могут находиться в жидкой и твердой фазах.

Для дополнительной механической обработки изделий из ККМ используют специальный режущий инструмент, шлифование, полирование, электроискровое и лазерное воздействие.

Углерод-углеродные композиционные материалы

Поиск высокопрочных высокотемпературных и химически стойких материалов привел к созданию углерод-углеродных композиций – УУКМ, армирующий каркас которых изготовляют из углеродистых волокон, а матрицу – из монолитного углерода.

Армирующий каркас чаще всего ткут из сухих углеродных нитей малого диаметра, стремясь к наиболее плотной укладке. Применяют также параллельную укладку углеродных тканей, прошитых нитями.

Многонаправленные каркасы могут быть созданы из углеродных пучков и лент.

Матрица вводится в каркас путем его пропитки или нанесения на волокна покрытий. Затем заготовку подвергают уплотнению, карбонизации и графитизации.

В качестве матричных пропиточных составов применяют различные полимеры, а также пеки из каменноугольной смолы или нефти.

Армирующий каркас пропитывают смолой или расплавом пека, создавая вакуум или избыточное давление. После пропитки осуществляют отверждение термореактивных смол. Затем заготовки (изделия) нагревают до 652-1102^о (для карбонизации). Выход кокса из термореактивных смол достигает 70-75% из каменноугольных 50-65%.

На следующем этапе получают углеродную матрицу графитизацией компонентов УКМ при температуре 2602-2752^оС.

Для достижения максимальной плотности композиционного материала все технологические циклы (пропитку, отверждение, карбонизацию и графитизацию) многократно повторяют.

Для получения УУКМ с высокой прочностью закрепления армирующих элементов в матрице применяют газофазный (химический) метод осаждения матричного материала на углеродные волокна. Для этого нагретый метан или природный газ продувают через нагретый каркас. На волокнах каркаса образуется равномерный осадок, который после получения заготовки заданных размеров подвергают графитизации.

При комбинировании газофазного осаждения и пропитки смолой достигается наибольшая плотность композиционного материала.

Углерод-углеродные материалы химически стойки в большинстве агрессивных сред до 227^оС, при 402^оС происходит окисление поверхности изделий кислородом воздуха.

При армирующих элементах в виде ткани трехмерной структуры, детали из УУКМ по теплозащитным свойствам не уступают деталям из графита, но значительно превосходят их по прочности.

УУКМ, армированные высокомодульными волокнами, имеют высокие характеристики удельной прочности.

Плотность ~ 1500 кг/м³.

Прочность при растяжении более 600 МПа.

Углерод-углеродные композиционные материалы применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высоких температур (прокладок и уплотнений химической и теплообменной аппаратуры, насадок плазменных установок, деталей оперения сверхзвуковых самолетов, систем абляционной защиты и т.д.).

ЛИТЕРАТУРА

1. Материаловедение и конструкционные материалы [Текст]: Учеб. пособие для вузов / Л.С.Пинчук, В.А.Струк, Н.К. Мышкин, А.И. Свириденок; Под ред. В.А. Белого. Мн.: Выш.шк., 1989.

2. Технология конструкционных материалов [Текст]: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. 6-е изд., испр. и доп. / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, А.Ф. Вязов и др. М.: Машиностроение, 2005.