Изготовление композиционных материалов
По способу изготовления КМ подразделяют на полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения – напыления и комбинированными методами.
Жидкофазные методы:
- пропитка арматуры полимером или жидким металлом,
- направленная кристаллизация.
Твердофазные методы:
- прессование;
- прокатка;
- экструзия;
- ковка;
- сварка взрывом;
- волочение;
- диффузионная сварка, при которых компоненты формируются в КМ, где в качестве матрицы используют порошки или тонкие фольги.
При получении КМ осаждением-напылением матрица наносится на волокна из раствора солей, парогазовой фазы, плазмы.
Комбинированные методы предусматривают совмещение нескольких методов. Например, пропитку используют в качестве предварительной операции, а прокатку – окончательной.
Получение км жидкофазными методами.
Выбор метода получения КМ основан на анализе межфазного взаимодействия компонентов, их химической и механической совместимости.
Химическая совместимость – это способность компонентов в условиях эксплуатации не образовывать хрупких химических соединений, которые разрушаются под действием внешней нагрузки. Металлы в КМ могут образовывать твердые растворы, механические смеси или хрупкие химические соединения. Если в зоне соединения компонентов КМ не образуется хрупких интерметаллидных соединений, а формируется пластичный переходный слой, то такой КМ обладает высокими эксплуатационными свойствами. Прочность связи компонентов определяется их химической и механической совместимостью по модулям упругости, коэффициентам термического расширения, пределам прочности и показателям пластичности.
П
ропиткой
волокон расплавленным металлом или
термореактивными смолами
получают изделия любой конфигурации
без дополнительной механической
обработки (рисунок слева: 1 – непрерывные
волокна; 2 – бункер для подачи пластмассы;
3 – формующий ролик; 4 – нагреваемая
поверхность; 5 – направляющие пазы).
Прочность связи компонентов определяется смачиваемостью поверхности армирующего элемента жидкой матрицей. Пропитку проводят при нормальном давлении, вакуумным всасыванием, под давлением и комбинированным методом.
Наиболее перспективный метод – это непрерывная пропитка волокон расплавленным металлом или термореактивными смолами с формованием профиля протягиванием КМ через фильеру (рисунок ниже).
И спользование дискретных (коротких) волокон позволяет изготавливать КМ во вращающейся форме. К волокнам для повышения смачиваемости расплавом прикладывают ультразвуковые колебания. Однонаправленная структура формируется с помощью электромагнитного поля.
Получение км твердофазными методами.
В твердофазных методах получения КМ материал матрицы имеет вид порошка, фольги, листов, ленты; волокна могут быть непрерывные, дискретные, в виде ткани и жгутов. Для получения КМ используют высокопроизводительные процессы обработки давлением: прокатку, прессование, экструзию, взрывное компактирование, диффузионную сварку. В качестве исходных заготовок для обработки в твердой фазе могут использоваться КМ, полученные литьем или методами осаждения – напыления.
Кроме волокон используют нитевидные кристаллы, получаемые осаждением из газовой фазы, выращиванием в электрическом поле, кристаллизацией из растворов. Волокна изготавливают с аморфной (стекловолокно, кремниевые волокна), композиционной (борные) и кристаллической (углеродные) структурой. В качестве металлической матрицы используют сплавы Al, Mg, Cu, Co. Керамической матрицей могут быть оксиды Al, Zr, MgБ карбиды титана, кремня, бора, нитриды кремния, бора, титана. Основой полимерной матрицы являются термореактивные смолы (фенолформальдегидные, эпоскидные).
Для двухкомпонентных КМ, армированных непрерывными волокнами, прочность КМ определяют по уравнению аддитивности:
,
Где вf – временное сопротивление волокна, МПа; m – приведенная прочность матрицы, МПа; Vf – объемная доля волокна, %; kf, km – коэффициенты, зависящие от условий работы волокна и матрицы.
Применение в КМ дискретных (коротких) волокон требует создания условий, при которых волокна не вытягиваются из матрицы, а воспринимают нагрузку. Прочное сцепление волокна и матрицы определяется длиной волокна, которая должна превышать критические значения. Критическую длину lкр определяют:
lкр=вfd/2,
где d и bf – диаметр и временное сопротивление волокна (МПа); - прочность на сдвиг между матрицей и волокном.