книги / Технология композиционных материалов
..pdfАлюминий и сплавы на его основе, используемые в качестве мат рицы КМ, выпускаются промышленностью в виде слитков, листов, лент, фольги, прутков, проволоки и порошка.
В зависимости от технологических особенностей |
получения КМ |
и типа волокон для армирования применяют алюминий |
деформируемый |
илитейный.
Вкачестве матриц применяют технически чистый алюминий. Физи ческие свойства такого алюминия марки АД следующие: при 293 К
плотность материала р = 2,7-108кг/м3; Тпл= 9 33,2 К; удельная теплоемкость С = 0,93»103 Дж/кг. Относительная электропроводность его по сравнению с отожженной медью составляет 64,94 %. У отожжен
ного алюминия марки АД прочность при растяжении |
80 МПа, модуль |
|
упругости 71 Ша; у нагартованного - прочность |
при |
растяжении |
140 МНа, модуль упругости 71 ГПа. |
|
|
Технически чистый алюминий используется для получения КМ жид-^ |
||
ко- и твердофазными методами. |
|
|
Деформируемые алюминиевые сплавы АДН, АДМ, |
АМцН, |
АМцМ и дру |
гие используются для получения КМ твердофазными методами. Они об ладают хорошей коррозионной стойкостью и высокой технологической пластичностью.
Для получения КМ на основе алюминия жидкофазными методами (пропиткой, литьем и т . д . ) используются литейные алюминиевые спла
вы системы At - Мд % At - $i , At - Си и сложные по |
химическо |
му и фазовому составу сплавы АЛ13, АЛ2, АЛ9, АЛ19, АЛЗ, |
АЛ1. Ли |
тейные алюминиевые сплавы обладают повышенной жидкотекучестью, |
сравнительно невысокой линейной усадкой и пониженной склонностью
к образованию трещин при повышенных температурах. |
|
|
|
||
Для изготовления КМ методами диффузионной сварки |
часто |
ис |
|||
пользуют фольгу алюминия (марки АД1, |
АД и д р .) |
и его |
сплавов, |
ко |
|
торая выпускается толщиной 0,005-0,2 |
мм в рулонах шириной |
от |
10 |
||
до 960 мм. Листы толщиной до 2,5 мм применяют |
для получения |
КМ |
|||
и изделий из них преимущественно сваркой взрывом. |
|
|
|
||
Для нанесения матричного материала на волокна методом |
плаз |
||||
менного, газоплазменного и электродугового напыления |
используют |
проволоку алюминиевую сварочную (ГОСТ 7871-75) марок СвА97, СвА5, СвАМц и другие.
М а т р и ц ы н а о с н о в е н и к е л я . Технически чистый никель модно использовать при получении КМ, армированных
проволоками тугоплавких металлов, керамическими и |
углеродными |
|
волокнами. Его выпускают в виде полуфабриката (листы, |
полосы) |
|
марок НШ, НП2, НПЗ, НП4 и в виде порошков ПНК-УТ1 , |
ПНК-0Т1, |
|
ПНК-1Л5 и другие. |
|
|
Однако жаростойкость КМ на основе технически |
чистого никеля |
|
низкая. Более широко применяются КМ на основе промышленных окали |
||
ностойких и жаропрочных никелевых сплавов марок |
0ХН70Ю, ХН60ВТ |
(окалиностойкие), ХН77ТЮР, ХН67МВТЮ (жаропрочные) и другие. Пре
дел прочности при растяжении никелевых сплавов зависит |
от хими |
|
ческого состава сплава и термической обработки. |
|
|
Никелевый матричный сплав считается совместимым с |
армирующи |
|
ми волокнами, если при температурах предполагаемой |
эксплуатации |
|
КМ не происходят процессы, разупрочняющие арматуру |
и материал в |
целом (химическая реакция между компонентами, взаимная диффузия, интенсивная рекристаллизация волокон). Наилучшей совместимостью с вольфрамовой проволокой при температуре 1273-1473 К обладает
сплав ХН60ВТ. |
|
|
|
|
|
|
Окалиностойкие никелевые сплавы хорошо деформируются в |
хо |
|||||
лодном и горячем состоянии. Жаропрочные деформируемые сплавы |
об |
|||||
рабатываются методами пластической деформации при нагревании. |
|
|||||
М а т р и ц ы |
н а |
о с н о в е |
к о б а л ь т а . |
Исполь |
||
зование кобальтовых сплавов в качестве |
матриц КМ ограничено в |
свя |
||||
зи с высокой стоимостью кобальта и его |
дефицитом. В КМ на кобаяь- |
|||||
товой основе преимущественно используют матрицу в виде |
порошков |
|||||
кобальта ПК- I , ПК-2 и его |
сплавов; в виде тонкой ленты; |
расплава |
||||
или частиц, |
наносимых газофазными методами. По физическим свойст |
|||||
вам кобальт |
и его |
сплавы близки к никелевым сплавам. Кобальтовые |
сплавы за счет более высокой температуры плавления могут превосхо дить никелевые. Механические свойства технического кобальта следу
ющие: при 1293 К предел прочности 370 МПа, |
относительное удлинение |
||
2,3 %\ при 2073 |
К предел прочности 870 МПа, |
относительное удлине |
|
ние 0,65 |
%; при |
2773 К предел прочности 190 МПа, относительное |
|
удлинение |
7,2 %. |
|
Кобальтовые сплавы по технологическому признаку делятся на деформируемые и литейные.
1 .3 .3 .2 . Требования, предъявляемые к металлическим матрицам
Механическое поведение КМ определяется совокупностью |
значе |
||
ний трех |
основных параметров: относительной сохраненной |
проч |
|
ностью волокон в КМ (отношением прочности волокон в КМ к |
проч |
||
ности исходных волокон), относительной прочностью связи волокон |
|||
с матрицей (отношением прочности КМ при сдвиге к |
когезионной |
||
прочности матрицы) и относительной, сохраненной |
пластичностью |
||
матрицы |
(отношением пластичности матрицы в КМ к |
исходной плас |
|
тичности |
матричного сплава). То или иное соотношение этих |
пара |
метров определяет механизм разрушения и весь комплекс механичес
ких |
свойств КМ. Так, например, |
при низкой прочности связи |
воло |
кон |
с матрицей и достаточно высоких значениях двух других |
пара |
|
метров разрушение КМ начинается |
с ^нарушения целостности |
границ |
раздела компонентов и завершается независимым, раздельным разру шением не связанного (слабо связанного) пучка армирующих волокон и матрицы. При низкой сохраненной пластичности матрицы (охрупчи вании матрицы) трещины в ЮЛ, появившиеся при разрушении наименее прочных волокон, легко транспортируются через матрицу и за счет концентрации напряжений у их устья перерезают встретившиеся на их пути волокна, так что образец КМ разрушается одной магистраль ной трещиной при весьма низких расчетных напряжениях.
Основными требованиями, предъявляемыми к металлическим матрицам, являются совместимость с материалом армирующих волокон при температурах получения и эксплуатации КМ; высокие значения прочности и пластичности при нормальной и повышенной температу
рах; высокие |
технологические свойства |
и коррозионная |
стойкость. |
1.4 |
. Армирующие наполнители, |
применяемые в |
ЮЛ |
I . 4 . I . Классификация наполнителей
Наполнители по их типу и форме классифицируют следующим об разом: I) порошковые наполнители, сплошные и полые микросферы; 2 ) короткие (рубленые) волокна, нитевидные кристаллы (усы), эле ментарные волокна, волокнистые армирующие материалы; 3 ) объемные ткани, плетеные и другие структуры с пространственным распсложе-
нивм арматуры (пространственно-направленные структуры); 4) газо образные наполнители.
По происхождению наполнители делятся на органические и не органические (минеральные), В свою очередь, органические наполни тели бывают природные (хлопок, лен и другие) и синтетические (полиэфирные, полиамидные и д р .).
Наполнители, изменяющие основные характеристики материалов, называются активными (волокнистые армирующие материалы), не изме няющие этих характеристик - инертными (как правило, порошкообраз
ные - |
мел, |
тальк и д р ,), Активные волокнистые наполнители, |
упроч |
|||
няющие КМ, |
называются армирующими, |
|
|
|||
1 . 4,1,1, |
Волокнистые наполнители |
|
|
|||
|
Применение волокнистых наполнителей ограничивает выбор мето |
|||||
дов формования й затрудняет изготовление изделий сложной |
формы, |
|||||
но повышает |
прочность, особенно ударную вязкость, |
и придает неко |
||||
торые |
специфические свойства |
композиционным материалам, в |
част |
|||
ности |
эрозионную стойкость, |
теплостойкость, электропроводность |
||||
и др, |
В конструкционных КМ применяют, как правило, |
волокнистые |
||||
наполнители |
(табл.1 . 3 ). |
|
|
|
||
|
Упрочняющая роль волокон (диаметром 3-12 мкм) в стекловолок |
|||||
нистых, |
асбоволокнистых, органоволокнистых и углеволокнистых на |
полнителях проявляется уже при длине волокна 2-4 мкм. С увеличе нием длины волокон прочность возрастает благодаря взаимному их переплетению. Использование непрерывных волокон позволяет полу чать изделия из КМ с исключительно высокими прочностными показа телями.
Из природных волокон применяют хлопок, джут, сизаль (сизаль волокно из листьев агавы), лен. Наиболее широкое применение нахо дят синтетические волокнистые материалы - полиэфирные, полиакрило нитрильные, полиамидные. Они обладают хорошей адгезией к наполняв мым полимерам, а содержащие их КМ характеризуются исключительно высокой коррозионной и химической стойкостью, водостойкостью, вы сокой износоустойчивостью.
Недостатком этих материалов является сравнительно невысокая теплостойкость.
|
Свойства армирующих материалов |
|
|
|||
Волокно |
Л |
^/7Л, |
Ge,, |
(<3£,//>)Ю5, |
£, |
( Е / р Ж |
(проволока) |
кг/м321* |
°с |
МПа |
МПа/Чкг'М3 ) |
ГПа |
ГПа/(кг*м: |
Алюминий |
2687 |
660 |
620 |
231 |
73 |
27 |
Окись алюминия |
3989 |
2082 |
689 |
173 |
323 |
81 |
Алюмосиликат |
3878 |
1816 |
4130 |
1065 |
100 |
26 |
Асбест |
2493 |
1521 |
1380 |
554 |
172 |
69 |
Бериллий |
1856 |
1284 |
1310 |
706 |
303 |
163 |
Карбид бериллия |
2438 |
2093 |
100 |
41 |
310 |
127 |
Бор |
2521 |
2100 |
3450 |
1368 |
441 |
175 |
Углерод |
1413 |
3700 |
2760 |
1953 |
200 |
142 |
Стекло: |
|
|
|
|
|
|
перспективное |
2493 |
1650 |
6890 |
2764 |
124 |
50 |
Е |
2548 |
1316 |
3450 |
1354 |
72 |
28 |
5 |
2493 |
1650 |
4820 |
IS33 |
85 |
34 |
Графит |
1496 |
3650 |
2760 |
1845 |
345 |
231 |
Молибден |
I0I66 |
2610 |
1380 |
136 |
358 |
35 |
Полиамид |
1136 |
249 |
827 |
728 |
2 ,8 |
2,5 |
Полиэфир |
1385 |
248 |
689 |
497 |
4,1 |
2,9 |
Кварц |
2188 |
1927 |
- |
- |
70 |
32 |
Сталь |
7811 |
1621 |
4130 |
529 |
200 |
26 |
Тантал |
1656 |
2996 |
620 |
374 |
193 |
116 |
Титан |
4709 |
1668 |
1930 |
410 |
115 |
24 |
Вольфрам |
19252 |
3410 |
4270 |
222 |
400 |
21 |
Карбид вольфрама |
15651 |
2871 |
730 |
47 |
717 |
46 |
Окись бериллия |
3020 |
2566 |
517 |
171 |
352 |
116 |
П р и м е ч а н и я :
1.Борные волокна содержат сердцевину из борида вольфрама.
2."Усы” обладают очень высоким пределом прочности и сверх
высоким модулем упругости при растяжении: для |
окиси |
алюминия |
|||
- 12,4 ГПа; для графита |
6 = 20,7 |
ГПа, |
Е = 690 ГОа; для |
||
железа |
в = 13,8 ГПа. |
|
|
|
|
3. |
Для углерода и графита |
приведена |
температура |
сублимации. |
Для повышения теплостойкости и конструкционной прочности КМ применяют наполнители из термостойких волокон - полиимидных, полибензимидазольных, полиоксадиазольных и др.
Наиболее важными из неорганических волокнистых наполнителей являются стеклянные и асбестовые.
В производстве конструкционных ПКМ наибольшее применение по лучили стеклянные, органические, углеродные, борные волокна.
Для наполнения полимеров применяют также волокна из кварца, базальта, керамики, металлическую проволоку, волокна бериллия,
молибдена и др. |
Представляет интерес применение нитевидных крис |
|||
таллов (усов), |
полученных из |
различных материалов, |
их |
оксидов, |
карбидов, нитридов и других |
тугоплавких соединений и |
вискеризо- |
||
ванных волокон. |
|
|
|
|
Стеклянные волокна. Высокопрочные стеклянные волокна получа |
||||
ют вытягиванием из расплавленной стекломассы через фильеры. |
||||
Свойства стеклянных волокон определяются, главным |
образом, |
|||
составом входящих в них окислов, геометрией волокон |
и |
условиями |
||
их получения. В производстве |
стекловолокнитов наибольшее распро |
странение получили стеклянные волокна бесщелочного состава: элект ротехнические - алюмоборосиликатные (Е, АБС), высокопрочные магнезиальноалюмосиликатные ( S , ВМП), высокомодульные - бериллийкальцийсиликатные (М), радиотехнические - кварцевые.
Для армирования КМ применяют |
стеклянные наполнители в |
виде |
моноволокон, некрученых первичных |
нитей, ровингов, крученых |
ни |
тей, лент, тканей различного вида переплетения, рубленого волокна, нетканевых материалов.
Органические волокна. В настоящее время из органических воло кон промышленное применение получили полиамидные, полиэфирные, по лиакрилонитрильные, полипропиленовые, поливинилонитрильные, вискоз ные и другие. Высокая гигроскопичность, низкая прочность и термо стойкость, значительная ползучесть при нагружении этих волокон ог раничивают их применение для армирования конструкционных КМ.
Для армирования КМ ответственного назначения в настоящее вре мя применяют термостойкие арамидные волокна СВМ, кевлар, обладаю
щие исключительно высокой прочностью (до 5000 МПа) |
в сочетании с |
низкой плотностью (1450 кг/м3) и модулем упругости |
II0 -I6 0 ГПа. |
Они пригодны также для армирования полимеров. |
|
Ползучесть арамидных волокон при нормальной температуре не превышает 1,5 %. Термостабильность их ограничена температурой 550-600 К, арамидные волокна характеризуются негорючестью, низ кой тепло- и электропроводностью и легко перерабатываются в ро винги, ткани различной структуры.
Углеродные волокна. Получают обработкой органических воло кон при высокой температуре в инертной среде или вакууме. В ка честве исходного сырья для получения углеродных волокон исполь зуют синтетические, богатые содержанием углерода волокна из полиакрилнитрила (ПАН-волокно), гидратцеллюяозы (Щ -волокно), во локна из пеков и смол.
Процесс получения углеродных волокнистых материалов из ПАНволокна состоит из трех стадий: окисления, карбонизации и графи-
тации. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Борные волокна получают осаждением бора из газовой |
фазы на |
|||||||||
нить вольфрама. Таким образом, борные волокна имеют сердцевину |
|||||||||||
из борида вольфрама (см. табл.1 .3 ). |
|
|
|
|
|
|
|||||
Карбидные и оксидные непрерывные |
волокна. В производстве |
КМ |
|||||||||
применяют волокна карбидов кремния и бора, |
оксидов |
алюминия |
и |
||||||||
циркония |
и др. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Волокна обладают достаточной гибкостью, что позволяет полу |
||||||||||
чать |
на их основе различные виды армирующих заполнителей: жгуты, |
||||||||||
маты, |
ткани. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Псхликристаллические нитридные и оксидные волокна |
обладают |
|||||||||
высокой термической и химической стойкостью. После |
экспозиции |
в |
|||||||||
течение 500 ч на воздухе при 1273 К прочность волокон из |
SiС |
|
|||||||||
сохраняется на уровне 65 %, а прочность волокон из оксида алю |
|||||||||||
миния остается |
неизменной. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
I . 4.1.2. |
Нитевидные кристаллы |
(усы) |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Для практического использования наибольший интерес представ |
||||||||||
ляют нитевидные кристаллы графита, оксидов |
A(!L05 |
, |
Ti02 , |
кар |
|||||||
бидов |
SLC |
и |
8г , нитридов |
, |
А£Ц |
, для которых |
характер |
||||
но сочетание |
низкой плотности, |
высокой прочности и термостойкости. |
|||||||||
|
Отношение длины к диаметру является важнейшей характеристикой |
||||||||||
монокристаллического волокна, |
от которого |
зависит |
его |
укрепляющий |
|||||||
эффект и технологичность при армировании им матриц. |
|
|
|
Наибольшей термостойкостью обладают нитевидные кристаллы сапфира и карбида кремния. При температуре 1773 К прочность кри сталлов не зависит от их размеров и составляет в среднем 1500 МПа, а для нитевидных кристаллов карбида кремния прочность сохраняется при нагреве до 2023 К. Высокая термостойкость и окислительная ус тойчивость НК объясняется совершенством их внутренней структуры.
1 .4.1.3. Полые микросферы
Полые микросферы представляют собой частицы сферической фор мы контролируемых размеров от 25 до 500 мкм, низкой плотности 100-700 кг/м3 , способные выдерживать гидростатическое давление более 10 МПа. Микросферы применяют для получения легких наполни телей КМ - синтактической пены, или синтактики. На основе термо пластичных и термореактивных смол получают материалы с повышенной удельной прочностью, плавучестью, равномерной плотностью по объему.
ПКМ на микросферах являются эффективными радиопрозрачными и
звукоизоляционными материалами. В качестве |
наполнителя применяют |
|||
микросферы стеклянные - 84-86 %. SiO% , из |
оксида циркония |
- |
||
100 % |
LrOi » из Фенолформальдегидной смолы. |
|
|
|
1.4 .2 . |
Регулирование свойств КМ изменением |
|
|
|
их состава я структуры |
|
|
|
|
Структура волокнистых композитов и существенные |
отличия, |
в |
||
свойствах сочетаемых волокон и матриц обусловливают |
анизотропию |
механических, теплофизических и других свойств. Степень анизотро пии свойств принято характеризовать отношением показателей, опре деленных в различных направлениях волокон. Наиболее отчетливо ани зотропия проявляется при сопоставлении свойств композитов в направ лении укладки волокон со свойствами, определенными под углом арми рования. В отличие от физической (природной) анизотропии компози там присуща конструкционная анизотропия, которая создается в про цессе их изготовления итак же, как и свойства композита, является регулируемой величиной.
Регулирование степени анизотропии, оптимизация показателей свойств композитов достигаются целенаправленным изменением их состава или структуры армирования.
1 .4.2.1. Совмещение различных волокон
Создание гибридных композитов путем совмещения в едином ма териале волокон разной природы является эффективным средством регулирования свойств композитов независимо от их структуры и схем армирования.
Возможны различные варианты сочетания непрерывных наполни телей. Первый вариант предусматривает создание гетероволокнистых материалов по принципу однородных смесей. При этом волокна раз личных типов равномерно распределяются в первичной нити или жгу те (например, борная нить в стеклянной оплетке). Второй вариант заключается в использовании многокомпонентного наполнителя: тка ни, мата или шпона из различных нитей, и жгутов. По третьему ва рианту чередуются слои листовых наполнителей с различными волок нами.
1 .4 .2 .2 . Перекрестная укладка слоев
Регулирование свойств слоистых композитов осуществляется пе рекрестной укладкой слоев по высоте материала и изменением углов ориентации волокон в отдельных слоях. Наиболее простой и распро страненной является перекрестная укладка, при которой волокна в слоях материала ориентированы под углом + Л относительно глав ных осей симметрии. Частным случаем является ортогональная уклад ка слоев. Регулирование свойств в ортогонально-армированном ком позите достигается изменением соотношения однонаправленных слоев, уплотненных во взаимно перпендикулярных направлениях. Прочность ортогонально-армированных композитов при сжатии несколько пони жается с увеличением толщины слоев.
1 .4.2.3. Пространственное армирование
Модули упругости и прочность композита при межслоевом сдви ге, растяжении и сжатии в направлении, перпендикулярном плоскос ти укладки слоев композита, мало чувствительны к изменению рас положения волокон в плоскости армирования. Существенное повыше ние этих характеристик композита достигается созданием попереч ных связей между слоями, т .е . пространственным расположением во-