1.2.3 Высокосилекаты, кварц и их свойства

Данный тип волокон можно отнести к группе «особо чистых» стекловоло­кон. Термин «особая чистота» характеризует содержание в волокне кремнезема SiO2. К высокосиликатам относят стекловолокна с содержанием кремнезема свыше 95 %, кварцевые волокна содержат не менее 99,95 % кремнезема. Во­локна такого типа иногда называют «высокотемпературостойкими», и, в зави­симости от их состава, подразделяют на кремнеземные, алюмокремнеземные, алюмосиликатные и кварцевые.

Высокосиликатные и кварцевые волокна, а также продукты их переработ­ки могут обрабатываться обычными способами, принятыми в текстильной про­мышленности: резание, получение матов, ровингов, лент, нетканых материалов и тканей. Высокосиликатные и кварцевые волокна отличаются более высоки­ми (по сравнению со стекловолокном) прочностью и гибкостью, что облегчает их переработку. Важным преимуществом является также их совместимость с большинством связующих, применяемых при производстве композитов.

Высокосиликатные и кварцевые волокнистые материалы имеют одни из наи­более высоких удельных прочностных характеристик среди жаростойких ма­териалов.

Волокна такого типа обычно не подвержены воздействию кислот. Исключе­ние составляют плавиковая и фосфорная кислота при повышенных темпера­турах. Не рекомендуется подвергать такие волокна воздействию щелочей. Вы-сокосиликаты не плавятся и не испаряются при температурах до 1650 °C, При температуре около 980 ° C эти материалы переходят в кристаллическую форму, что сопровождается возрастанием их жесткости при сохранении физических и изоляционных свойств. Отличительной особенностью высокосиликатов явля­ется их способность выдерживать тепловые удары. В частности, практически 1100 ^° C, без явных изменений в структуре материала.

1.2.4 Другие волокна композитов и их свойства

Борные и карбид-кремниевые волокна

Волокна на основе бора (Б) и карбида кремния (SiC) появились в результа­те исследований, задачей которых было снижение массы конструкций из КМ за счет повышения физико-механических свойств используемых материалов. Возможности достаточно широко применяемых и хорошо изученных стекло­пластиков ограничены их недостаточной жесткостью, что затрудняет их при­менение для изготовления основных несущих нагрузку узлов конструкций.

Прочностные свойства волокна очень сильно зависят от технологических параметров процесса осаждения. Отклонение скорости осаждения бора от оп­тимальной как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к снижению прочности. Изменение толщины слоя бора по длине проволоки в реакторе приводит к изменению электрического сопротивления волокна, а следовательно и к изменению скорости осаждения, Для обеспечения постоян­ства температурного профиля могут использоваться двух- (и более) стадийные схемы подвода тока к волокну.

Некоторым недостатком такой технологии является высокая стоимость воль­фрама и трихлорида бора. В качестве замены для вольфрамовой проволоки используются более дешевые углеродные волокна.

Основными факторами, влияющими на прочностные свойства волокон, явля­ются наличие дефектов в слое бора либо на его внешней и внутренней по­верхностях, а также состояние границы «бор—основа» и уровень напряжений, действующих на этой границе.

Бороуглеродные волокна

Основная роль вольфрамовой проволоки при производстве борных воло­кон заключается в том, что она образует токопроводящую основу, на которую осаждается бор. Углеродные волокна могут исполнять эту роль с не меньшим успехом по сравнению с вольфрамовой проволокой. Единственной проблемой при использовании углеродных волокон является способность бора удлиняться в процессе осаждения.

Прочность волокон существенно зависит от условий осаждения бора на слой пиролитического графита. Реакторы, в которых реализуется данная техноло­гия производства борных волокон, имеют дополнительный участок осаждения на углеродную основу пиролитического графита. Непосредственно за этим участком начинается осаждение бора.

Использование углеродных волокон позволяет за счет их температурных характеристик выдерживать почти постоянный про­филь температуры по длине волокна, в отличие от вольфрамовой проволоки, где поддержание требуемого профиля требует определенных технологических ухищрений. Более высокая средняя температура в реакторе для осаждения бо­ра на УВ приводит к повышению производительности реактора примерно на 40 %.

Бороуглеродные волокна имеют примерно на 10 % меньший модуль упру­гости по сравнению с боровольфрамовыми волокнами. Для повышения модуля упругости композита в целом может применяться прием увеличения объем­ной доли волокон в составе материала, но следует учитывать, что это обычно сопровождается снижением поперечной прочности, деформации при разруше­нии и других механических характеристик. В целом, уровень механических характеристик бороуглеродных волокон достаточно высок, что позволяет ис­пользовать их при производстве высоконагруженных ответственных элементов конструкций, например, при изготовлении хвостовых деталей самолетов (F-14, F-15).

Карбид-кремниевые волокна

Интерес к карбид-кремниевым волокнам появился в связи с необходимостью получения высокопрочных высокомодульных волокон, которые могли бы быть использованы для армирования композитов с металлическими и органически­ми матрицами. Одним из вариантов решения проблемы стали борные волок­на, другим — близкие к ним по своим механическим характеристикам карбид-кремниевые (SiC) волокна. Эти волокна были получены в конце 60-х годов 20 века. Предел прочности таких волокон составлял 2800... 3500 МПа. Исследо­вались возможности повышения механических характеристик таких волокон за счет модифицирования их бором или смесью титана и бора.

Карбид-кремниевые волокна обладают высокими упругими свойствами: мо­дуль упругости при растяжении составляет ^ 450 ГПа (для сравнения: борные волокна ^ 400 ГПа, сталь ^ 200 ГПа, алюминий ^ 70 ГПа). Плотность карбид-кремниевых волокон составляет примерно 3100 кг/м³, плотность борных во­локон — 2300 ... 2500 кг/м³ в зависимости от основы (волокна на углеродной основе имеют обычно меньшую плотность).

Гладкая шероховатость поверхности волокон обычно является признаком на­рушения параметров процесса осаждения и сопровождается снижением проч­ностных качеств. Волокна с углеродными нитями в качестве основы способны в течение длительного времени выдерживать воздействие высоких температур без проявления какой-либо химической активности. Это обстоятельство служит основанием для широкого использования таких волокон в сочетании с металли­ческими матрицами, когда волокно длительное время контактирует с жидким металлом в процессе пропитки. При использовании волокон на вольфрамовой основе при высокотемпературном воздействии имеет место диффузия атомов углерода в вольфрам с образованием граничного слоя карбида вольфрама, ко­торый приводит к потере прочности волокна.

Вывод

Мы уже изучили большинство видов и классификаций главных составляющих, а именно, армирующие волокна и связующие их элементы, такие как полимеры, смолы и металлические матрицы. Теперь можем выделить некоторые их преимущества и недостатки.

Преимущества композиционных материалов:

· высокая удельная прочность

· высокая жёсткость (модуль упругости 130...140 ГПа)

· высокая износостойкость

· высокая усталостная прочность

· из композиционных материалов возможно изготовить «размеростабильные» конструкции, причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами.

Замечание: Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Недостатки композиционных материалов:

Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

· высокая стоимость

· анизотропия свойств

· повышенная «наукоёмкость» производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.