Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 [ 19 ] 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

териалов с алюминиевой матрицей, армированной стальной проволокой, температура не должна превышать 550 °С во избежание активного взаимодействия между компонентами. Композиционные материалы изготовляют сваркой взрывом, прокаткой в вакууме, диффузионным спеканием. Для надежного сцепления компонентов при использовании твердофазных методов необходимо обновление контактных поверхностей, разрушение оксидных пленок.

Более высокой жаропрочностью обладает проволока из тугоплавких металлов (Мо, W, Та). Высокие прочностные свойства такой проволоки сохраняются до 1200-1500 °С, и поэтому ее применяют для армирования жаропрочных матриц. Это увеличивает рабочие температуры и срок службы жаропрочных сплавов. Недостатком наполнителя из тугоплавких металлов является их высокая плотность.

Малой плотностью и большой удельной прочностью обладает проволока из бериллия. Механические свойства проволоки сильно зависят от качества ее поверхности. Бериллиевую проволоку получают выдавливанием из литой или порошковой заготовки, заключенной в оболочку. Лучшим материалом оболочки является никель. После волочения оболочку с проволоки удаляют и для улучшения поверхности проволоку подвергают электрохимическому полированию. При волочении проволоки, предназначенной для получения композиционных материалов, в качестве оболочки используют материал матрицы, и в этом случае отпадают операции тра-

вления и полирования. Ценным свойством сильнодеформированной бериллиевой проволоки является высокая температура рекристаллизации (700 °С). Бериллиевую проволоку целесообразно применять для армирования матриц, обладающих малой плотностью, т. е. на алюминиевой, магниевой или титановой основах.

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 2ВС1з--ЗН2-*2В + 6НС1 с последующим осаждением бора из газовой среды на горячей вольфрамовой нити (d!\2 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. Полученные таким способом волокна бора имеют d = 70-h200 мкм.

Прочность сердцевины значительно ниже прочности волокна в целом. В сердцевине возникают напряжения сжатия, а в прилегающих участках бора-напряжения растяжения. Это приводит к появлению остаточных напряжений и возникновению радиальных трещин. При небольшой плотности волокна бора обладают высокой прочностью и жесткостью. Высокая прочность


Рис. 13.26. Структура поверхности борного волокна



борных волокон объясняется их мелкокристаллической структурой. Большое влияние на прочность оказывает и структура их поверхности. Поверхность имеет ячеистое строение, напоминающее по внешнему виду початок кукурузы (рис. 13.26). Наличие крупных зерен на поверхности, а также включений, трещин, пустот снижает прочность борных волокон. При температуре выше 400°С борные волокна окисляются, а при температуре выше 500 °С 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 настоящее время наряду с чисто борными волокнами выпускают волокна бора, оплетенные стекловолокном. Такие комбинированные волокна обладают более высокой устойчивостью. Основной недостаток борных волокон-высокая стоимость, которую можно снизить путем увеличения диаметра, а также заменой вольфрамовой основы на углеродную.

Высокими прочностью, удельной прочностью и термической стабильностью механических свойств отличаются высокомодульные углеродные волокна. Их получают путем высокотемпературной термической обработки в инертной среде из синтетических органических волокон. В зависимости от вида исходного продукта углеродные волокна имеют разновидности: нити, жгуты, ткани, ленты, войлок. Наиболее широко для производства углеродных волокон используют вискозу, полиакрилнитрил (ПАН). При нагреве синтетическое волокно разлагается с образованием лентообразных слоев углерода с гексагональной структурой, называемых микрофибриллами (рис. 13.27). Группы одинаково ориентированных микрофибрилл, разделенных узкими порами, образуют фибриллы. Поперечные раз-


Рис. 13.27. Строение углеродных волокон (схема):

а - общий вид; б - продольное сечение фибриллы; е - поперечное сечение микрофибриллы; la ч 1с~ поперечные размеры микрофибрилл

меры фибрилл лежат в широких пределах: от нескольких десятков до сотен микрометров. Каждое углеродное волокно состоит из тысяч фибрилл. Структура углеродного волокна, в частности, взаимное расположение фибрилл и степень их ориентации, зависят от исходного сырья: состава макромолекул, степени вытяжки волокон, технологии их получения и др. В связи с этим углеродные волокна, полученные из разных синтетических волокон, имеют разные свойства и даже различный характер соотношения между прочностью и жесткостью (рис. 13.28).

Структура и свойства углеродных волокон в большой степени зависят также от температуры термической обработки синтетических волокон (рис. 13.29). Кроме того, прочность углеродных волокон сильно зависит от наличия таких дефектов, как пустоты, трещины. Она значительно снижается, если размеры дефек-



6g МЛа


2D00 -

О 200 ш еоа

Е,ГПа

Рис. 13.28. Связь между временным сопротивлением и модулем упругости углеродных волокон при различном исходном сырье: /-ПАН; 2-вискоза

тов превышают 0,05 мкм. При нагреве выше 450 °С на воздухе углеродные волокна окисляются, в восстановительной и нейтральной среде сохраняют свои механические свойства до 2200 °С.

К другим достоинствам углеродных волокон относятся высокие теплопроводность и электропроводимость, коррозионная стойкость, стойкость к тепловым ударам, небольшой температурный коэффициент линейного расширения; к недостаткам-плохая 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.

6в, МПа

Е,ГПа

ша -


1200 то 2000 2Шггс

Рис. 13.29. Влияние температуры графитизации на свойства углеродного волокна

Керамические волокна оксидов, нитридов, карбидов характеризуются высокими твердостью, прочностью, модулем упругости, относительно небольшой плотностью и высокой термической стабильностью.

Из табл. 13.5 видно, что особо высокие прочность и жесткость присущи нитевидным кристаллам («усам»). Высокая прочность объясняется совершенством их структуры, для которой характерна очень малая плотность дислокаций. Доказано, что скручивание усов в процессе образования монокристаллов AI2O3 и Si02 вызвано наличием в них единственной винтовой дислокации, расположенной вдоль оси роста кристаллов.

Стекловолокно характеризуется сочетанием высоких прочности (3000-5000 МПа), теплостойкости, диэлектрических свойств, низкой теплопроводности, высокой коррозионной стойкости. Стекловолокно получают прода-вливанием стекломассы через специальные фильтры или вытягиванием из расплава. Изготовляются два вида стекловолокна: непрерывное-диаметром 3-100 мкм, длиной до 20 км и более и штапельное-диаметром 0,5-20 мкм, длиной 0,01-0,5 м. Штапельные волокна применяют для изготовления конструкционных материалов с однородными свойствами, а также те-плозвукоизоляционных материалов; непрерывные-в основном для высокопрочных композиционных материалов на неметаллической основе. Выпускаемые в настоящее время непрерывные профильные волокна с квадратной, прямоугольной, шестиугольной формой поперечного сечения повьииают прочность и жесткость композиций благодаря более плотной упаковке в материале.

Применение полых профильньк волокон уменьшает плотность, повышает жесткость при изгибе, прочность при сжатии композиционных материалоь Кроме того, улучшаются их изоляционные свойства.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 [ 19 ] 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61