4.1.2 Применяемые волокна и требования к ним

Для армирования в основном применяют три вида волокон: нитевидные кристаллы, металлическую проволоку и неорганические поликристаллические волокна (табл. 4.1).

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВОЛОКНАМ:

• высокая температура плавления;

• малая плотность;

• высокая прочность во всем интервале рабочих температур;

• технологичность;

• минимальная растворимость в матрице;

• высокая химическая стойкость;

• отсутствие фазовых превращений в рабочем интервале температур;

• отсутствие токсичности при изготовлении и эксплуатации.

Нитевидные кристаллы (“усы”) рассматривают как перспективный материал для армирования металлов, полимеров и керамики.

Достоинства:

• сверхвысокая прочность в широком интервале температур при малой плотности;

• химическая инертность по отношению ко многим матричным материалам;

• высокая жаростойкость;

• коррозионная стойкость нитевидных кристаллов оксидов алюминия и магния, карбида кремния.

Недостатки: трудности при получении в промышленном масштабе, отбор годных “усов”, ориентация их в матрице, методов формирования композиций с “усами”.

Металлическая проволока из стали, вольфрама, молибдена и других металлов менее перспективна, чем “усы”, из-за большой плотности и меньшей прочности, однако, поскольку выпускается она промышленно в достаточно широком масштабе и имеет сравнительно невысокую стоимость, ее широко используют в качестве арматуры, особенно для КМ на металлической основе.

Поликристаллические неорганические волокна, как и металлическую проволоку, получают в больших масштабах.

Недостаток этих волокон - достаточно высокая чувствительность к механическим повреждениям.

Однако малая плотность, высокая прочность и химическая стойкость углеродных, борных, стеклянных, карбидокремниевых, кварцевых, алюмосиликатных и других волокон позволяют широко использовать их для армирования металлов и пластмасс.

4.1.3 ТРЕБОВАНИЯ К МАТРИЦЕ

Матрица в армированных композициях придает изделию форму и монолитность. Объединяя в единое целое многочисленные волокна, матрица должна позволять композиции воспринимать различного

Таблица 4.1 - Волокна, применяемые для армирования

Тип волокон		СВОЙСТВА
		Температура плавления, ТС	Плотность , г/см^3	Предел прочности, , МПа
Неорганические поликристаллические волокна	Борные	2040	2,63	300
	Углеродные	3000	1,7	250
	SiC	2827	3,21	300 - 400
	Al2O3	2054	3,96	210 - 260
	ZrO	2677	6,27	240 - 270
	Стекло	4482	2,5	-
Металлическая проволока	Be	1284	1,84	100 – 130
	W	3400	19,3	420
	Сталь	1300	7,83	360 - 400
	Ti	1668	4,5	150 - 200
Нитевидные кристаллы	Al2O3	2054	3,96	2800
	AlN	2400	3,3	1500
	SiC	2650	3,21	3700
	SiN	1900	3,18	1500

рода внешние нагрузки - растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и т.д. В то же время она принимает участие в создании несущей способности композиции, обеспечивая передачу усилий на волокна. За счет пластичности матрицы усилия от разрушенных или дискретных волокон передаются соседним волокнам, а концентрация напряжения вблизи различного рода дефектов уменьшается. Матрице отводится и роль защитного покрытия, предохраняющего волокна от механических повреждений и окисления.

Кроме того, матрица должна обеспечивать прочность и жесткость конструкции при действии растягивающей или сжимающей нагрузки в направлении, перпендикулярном к армирующим элементам. Если растягивающая нагрузка направлена по оси параллельных между собой волокон, то для получения эффекта упрочнения предельное относительное удлинение матрицы, как минимум, должно быть равно относительному удлинению волокон. Если же нагрузка перпендикулярна к оси волокон, то это оказывается недостаточным.

Чем пластичнее матрица, тем меньше допускается толщина прослойки матрицы между волокнами и тем больше волокон может быть введено в КМ.

Т.о., основные требования к матрице можно сформулировать следующим образом:

• матрица должна придавать изделию форму и делать его монолитным;

• воспринимать внешние нагрузки;

• обеспечивать передачу усилий на волокна;

• служить защитным покрытием, предохраняющим волокна от механических воздействий и окисления;

• обеспечивать прочность и жесткость системы.

Для обеспечения прочности сцепления между матрицей и волокнами необходимо некоторое взаимодействие между матрицей и волокнами. Для металлических композиционных материалов прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1 – 2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его обеспечения, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими. Связь между компонентами в металлических композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон.

В зависимости от условий эксплуатации (в первую очередь от рабочих температур) используются различные матричные материалы, которые будут более подробно рассмотрены при изучении различных видов КМ.