2020-09-24
559
Для армирования металлических и полимерных матриц широко используют борные волокна. Они характеризуются высокой прочностью, твердостью, малой склонностью к разрушению при повышении температуры. Борные волокна получают разложением хлорида и бромида бора в среде водорода с последующим осаждением бора из газовой среды на горячей вольфрамовой нити диаметром примерно 12 мкм. В результате взаимодействия бора с вольфрамом сердцевина борных волокон состоит из боридов вольфрама различного состава: WB, W2B5, WB5. При продолжительном нагреве сохраняется в основном WB4. Волокна бора имеют ромбическую кристаллическую решетку и диаметр d = 70…200 мкм. При небольшой плотности волокна бора обладают высокой прочностью и жесткостью, что объясняется мелкокристаллической структурой. Большое влияние на прочность оказывает и структура их поверхности. На поверхности волокон находятся крупные зерна (ячеистое строение), включения, трещины, пустоты, что снижает прочность борных волокон. При температуре выше 400 °C борные волокна окисляются, а выше 500 °C вступают в химическое взаимодействие с алюминиевой матрицей. Для повышения жаростойкости и предохранения от взаимодействия с матрицей на борные волокна наносят покрытия из карбида кремния, карбида и нитрида бора толщиной 3…5 мкм.
В качестве упрочнителей применяют комбинированные волокна – это волокна бора, оплетенные стекловолокном. Такие волокна обладают более высокой устойчивостью. К основному недостатку борных волокон можно отнести высокую стоимость, которую можно понизить путем увеличения диаметра и заменой вольфрамовой основы на углеродную.
Более высокими прочностью, удельной прочностью и термической стабильностью механических свойств отличаются высокомодульные углеродные волокна, которые получают высокотемпературной термической обработкой в инертной среде из синтетических органических волокон.
В зависимости от вида исходного продукта углеродные волокна могут быть в виде нитей, жгута, тканых материалов, лент, войлока. Наиболее широко для производства углеродных волокон используют вискозу, полиакрилнитрил (ПАН).
Структура и свойства углеродных волокон в большей степени зависят от температуры термической обработки синтетических волокон, от наличия дефектов (пустот, трещин), особенно, если размеры дефектов превышают 0,05 мкм. При нагреве выше 450 °C на воздухе углеродные волокна окисляются, в восстановительной и нейтральной средах сохраняют свои механические свойства до 2200 °C.
К достоинствам углеродных волокон следует также отнести: высокую теплопроводность, электрическую проводимость, коррозионную стойкость, стойкость к тепловым ударам, низкие коэффициенты трения и линейного растяжения.
К недостаткам следует отнести: плохую смачиваемость расплавленными материалами, используемыми в качестве матриц. Для улучшения смачиваемости и уменьшения химического взаимодействия с матрицей на углеродные волокна наносят покрытия. Хорошие результаты в контакте с алюминиевой матрицей показывают покрытия из боридов титана и циркония.
Керамические волокна оксидов, нитридов, карбидов характеризуются высокими твердостью, прочностью, модулем упругости, относительно небольшой плотностью и высокой термической стабильностью.
Нитевидные кристаллы ("усы") обладают особо высокими прочностью и жесткостью. Высокая прочность объясняется совершенством их структуры, для которой характерна очень малая плотность дислокаций.
Стекловолокно характеризуется сочетанием высокой прочности (sв= 3000…5000 МПа), теплостойкости, диэлектрических свойств, низкой теплопроводности, высокой коррозионной стойкости. Стекловолокно получают продавливанием стекломассы через специальные фильтры или вытягиванием из расплава.
Изготовляют два вида стекловолокна: непрерывное - диаметром 3…100 мкм, длиной 20 км и более и штапельное - диаметром 0,5…20 мкм, длиной 0,01…0,5 м. Штапельные волокна применяют для изготовления конструкционных КМ с однородными свойствами, а также теплозвукоизоляционных КМ; непрерывные - в основном для высокопрочных КМ на неметаллической основе. Выпускаемые в настоящее время непрерывные профильные волокна с квадратной, прямоугольной, шестиугольной формой поперечного сечения повышают прочность и жесткость КМ благодаря более плотной упаковке в материале.
Применение полых профильных волокон уменьшает плотность, повышает жесткость при изгибе и прочность при сжатии КМ, улучшает их изоляционные свойства.
Стекловолокно изготавливают быстрым охлаждением расплавов стекломассы, фиксирующим в волокнах аморфную структуру однородной жидкости. Стекловолокна дешевы, хорошо отработан процесс изготовления пластиков на их основе; стеклопластики широко применяются уже в течение нескольких десятков лет в изделиях авиационной техники, в автомобилестроении, при производстве спортивных товаров и т.п. Основными недостатками стеклянных волокон является низкая жесткость, не позволяющая использовать стеклопластики в силовых конструкциях ответственного назначения, и зависимость свойств от внешней среды.
Несмотря на недостатки преимущества волокон позволяют широко использовать их для армирования пластмасс, металлов и керамики.
Матричные материалы.
Матрица в армированных композициях придает изделию форму и делает материал монолитным. Объединяя в единое целое многочисленные волокна, матрица должна позволять композиции воспринимать различного рода внешние нагрузки: растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и др. В то же время она должна принимать участие в создании несущей способности композиции, обеспечивать передачу усилий на волокна. Матрице отводится и роль защитного покрытия, предохраняющего волокна от механических повреждений и окисления. Кроме того, матрица должна обеспечивать прочность и жесткость системы при действии растягивающей или сжимающей нагрузки в направлении, перпендикулярном к армирующим элементам.
В зависимости от используемого матричного материала различают КМ на металлической основе (МКМ) и неметаллической основе: керамической или углеродной основе (ККМ) и полимерной основе (ПКМ).
В качестве матричных материалов при изготовлении металлических композиционных материалов (МКМ) используют промышленные металлы и сплавы, которые уже применяются в различных областях техники, а также новые сплавы, разработанные специально для армирования их тем или иным видом волокон: легкие металлы и сплавы (алюминий, магний и их сплавы); титан и сплавы на его основе; медь и ее сплавы; жаростойкие и жаропрочные сплавы на основе железа, никеля и кобальта; тугоплавкие металлы и сплавы.
Все металлические матрицы по технологическому признаку можно разделить на три больших класса: деформируемые, литейные и порошковые.
К деформируемым алюминиевым сплавам относят не упрочняемые термической обработкой сплавы марок АМц, АМг, АМгЗ и др., основными легирующими элементами которых являются магний и марганец. Эти сплавы обладают хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью и свариваемостью, но сравнительно небольшой прочностью. Большую группу деформируемых алюминиевых сплавов составляют упрочняемые термической обработкой дуралюмины (Д1, Д16, Д18 и др.) и сплавы АВ, АК, В95. После термической обработки (закалки и искусственного старения) эти сплавы имеют повышенную механическую прочность.
Из литейных алюминиевых сплавов наиболее распространены силумины, которые обладают хорошими литейными свойствами; в качестве основного легирующего элемента содержат 4…13 % кремния. Однако они малопластичные, имеют низкую ударную вязкость и коррозионную стойкость. Теплостойкость силуминов также невелика. Так, для сплава АЛ5 при 300 °С сточасовая длительная прочность составляет 30 МПа.
Весьма перспективны для жаропрочных МКМ на алюминиевой основе матричные материалы типа САП (спеченный алюминиевый порошок), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия А12O3.
Магний и его сплавы выгодно отличаются от других конструкционных материалов низкой плотностью, относительно высокими механическими свойствами, хорошей способностью сопротивляться ударным нагрузкам и вибрациям. Такие деформируемые магниевые сплавы, как МА3, МА8, МА2-1 пластичны и хорошо обрабатываются давлением.
Из листовых МКМ наиболее распространены тонкие листы или фольга, получаемые прокаткой.
Титан и его сплавы обладают ценными физико-механическими свойствами: при малой плотности (4500 кг/м3) титановые сплавы могут иметь предел прочности от 500 МПа для нелегированного титана до 1500 МПа для сплавов. Поэтому по абсолютной и тем более по удельной прочности он превосходит сплавы алюминия и магния и многие легированные стали в широком диапазоне температур 20…500 °С. Технический титан ВТ1, ВТ3, ВТ5 имеет хорошие литейные свойства. Из сплавов титана получают полосы толщиной 5…7 мм, листы толщиной 1,5…2 мм прокаткой при температуре 550…700 °С. Более тонкие листы (1,0…0,5 мм)получают холодной прокаткой.
Медь, имеющая высокую электро- и теплопроводность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, широко применяется в электротехническом аппаратостроении. В технологическом отношении медь очень удобный материал, так как он хорошо куется, прокатывается в пруток, ленту, фольгу, протягивается в проволоку. Многие медные сплавы обладают хорошими литейными свойствами и их часто используют для получения фасонных отливок методом точного литья.
Из металлических матриц на основе железа, никеля и кобальта при создании МКМ чаще всего используют жаропрочные стали и сплавы, обладающие стойкостью против разрушения в газовых средах при нагревании выше 500 °С. МКМ из литейных жаропрочных сплавов изготовляют преимущественно жидкофазными методами (литьем, пропиткой).
Методами порошковой металлургии стало возможно получение МКМ с матрицей из особо тугоплавких металлов - ниобия, вольфрама, молибдена и сплавов на их основе. Волокнистыми наполнителями ("усами",- волокнами тугоплавких соединений) эти матрицы армируют для того, чтобы придать им особые эксплуатационные характеристики: ударопрочность, термостойкость, специальные физические свойства. Создавая такие МКМ используют матричный материал в виде тонких порошков с размерами 0,1…5 мкм, тонкой металлической фольги толщиной 10…100 мкм, а также применяют различные методы осаждения матрицы на волокна с последующим уплотнением покрытых волокон горячим прессованием, прокаткой и т.п.
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные (ПКМ), углеродные и керамические материалы (ККМ). Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу.
