5. Армирующие волокна композитных материалов ( общие представления, эксплуатационные требования, технологические)

Армирующие материалы подразде­ляют на порошкообразные и волокнистые.

Основная идея упрочнения волокнами заключается в создании двухфазной структуры, в которой деформация матрицы используется для передачи напряжения высокопрочным волокнам при их объемном содержании до 50-70% (чаще 10-30%) за счет сил сцепления на границе раздела волокно – матрица. Если волокна имеют достаточную длину, то при нагружении деформация волокон на большей части их длины должна быть равна деформации матрицы и в этом случае волокна эффективно упрочняют ее. Кроме того, волокна должны задерживать распространение трещин и таким образом повышать не только прочность, но и вязкость материала. Поскольку упрочнение в армированных волокнами системах зависит главным образом от свойств волокон (матрица действует только как среда для передачи напряжения), такие системы по своим высокотемпературным характеристикам должны превосходить системы, упрочненные дисперсными частицами.

Армирующие волокна, используемые для получения КМ, должны иметь сле­дующие свойства: малую плотность, вы­сокую температуру плавления, минималь­ную растворимость в материале матрицы, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, высокую химиче­скую стойкость, технологичность, отсут­ствие фазовых превращений в зоне рабо­чих температур, отсутствие токсичности при изготовлении и эксплуатации.

Приме­няют в основном три вида волокон: ните­видные кристаллы, металлическую прово­локу, неорганические и поликристаллические волокна.

Существуют два основных способа получения двухфазных композиционных материалов: 1) волокна, усы или проволоку получают отдельно, а затем их вводят в матрицу; 2) волокна или усы создают непосредственно в матрице, например направленной кристаллизацией эвтектических сплавов, используя контролируемое охлаждение или эвтектоидный расплав.

6. Волокна углерода, бора, карбида кремния, металлическая проволока, нитевидные кристаллы.

1. Волокна углерода относятся к числу перспективных армирующих элементов в свя­зи с низкой плотностью (1400 ... 2000 кг/м3), высокими пределом прочности при растя­жении (до 3500 МПа), модулем упругости (до 700 000 МПа) и малым диаметром во­локон (5 ... 12 мкм). Волокна углерода имеют относительно высокую химическую стойкость к атмо­сферным условиям и некоторым кислотам (серной, азотной, соляной), что определяет их долговечность при хранении, а также долговечность КМ на их основе. Термо­стойкость при длительной эксплуатации не превышает 400 °С. К недостаткам угле­родных волокон следует отнести низкую прочность на сжатие, химическую актив­ность при взаимодействии с расплавлен­ными металлическими матрицами и ма­лую смачиваемость.

Для получения волокон углерода в ка­честве сырья используют органические волокна из вискозы (целлюлозные искус­ственные волокна) и полиакрилнитрила (поливиниловое синтетическое волокно), которые получают выдавливанием поли­мера в вязкотекучем состоянии через фильеры определенного размера. В каче­стве сырья используют также пеки из ка­менноугольной смолы или нефти.

2. Волокна бора характеризуются низкой плотностью (2400 ... 3000 кг/см3); прочно­стью при растяжении (до 3800 МПа) и модулем упругости (до 400 000 МПа). В промышленных условиях возможно изготовление волокон диаметром 75 ... 200 мкм. Высокая температура плавления бора (2050 °С) определяет как термостойкость волокон бора, так и высокую поверхност­ную энергию, необходимую для обеспече­ния хорошей смачиваемости.

Их получают осаждением бора из газовой смеси водорода и треххлористого бора на нагреваемую вольфрамовую проволоку (диаметром 10 ... 12 мкм). В результате осаждения образуется сердечник из боридов вольфрама (диаметром 15 ... 17 мкм), вокруг которого располагается слой поликристаллического бора.

BCl₃ + H₂

3. Волокна карбида кремния определя­ются следующими физико-механически­ми характеристиками: плотностью 3200 ... 3500 кг/м3, прочностью при растяжении 1700 ... 2500 МПа, модулем упругости 450000 ... 480000 МПа. Они жаростойки и жаропрочны. Высокая химическая стойкость к атмо­сферным воздействиям, практическое от­сутствие реакции между материалами матрицы и волокнами и хорошая сма­чиваемость.

Волокна карбида кремния получают в вертикальных реакторах по аналогичной схеме, как и при получении волокон бора. Сердечником при этом служат вольфра­мовая проволока или пековые моноволок­на углерода.

4. Металлическая проволока. Для армирования КМ исполь­зуют проволоки из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, характери­зующихся высокими физико-механическими свойствами. В последнее время ши­роко используют проволоки из вольфра­мовых и молибденовых сплавов.

5. Нитевидные кристаллы ("усы") - тонкие короткие волокна с монокристаллической структурой. Технологически возможно получение кристаллов диамет­ром до 10 мкм и длиной до 10 мм. Харак­терно, что прочность "усов" резко возрас­тает с уменьшением диаметра.

Известны самородные волокнистые кристаллы Au, Ag, Cu, Sn, Pb, S, различных окислов и силикатов. Наиболее важное свойство — уникально высокая прочность, в несколько раз превосходящая прочность массивных моно- и поликристаллов. Получение: физическое испарение с последующей конденсацией, осаждение из газовой фазы при участии химических реакций, кристаллизация из растворов, направленная кристаллизация эвтектических сплавов, выращивание на пористых мембранах и др.

6. Стекловолокно́ — волокно из тонких стеклянных нитей. В такой форме стекло демонстрирует необычные для стекла свойства: не бьётся и не ломается, а вместо этого легко гнётся без разрушения. Стекловолокно — это армирующий элемент, который обеспечивает стеклопластикам большую прочность и стойкость против ударов. Стекловолокно получается из расплавленной стеклянной массы специального состава, протянутой через мельчайшие отверстия — фильеры. Оно имеет микроскопический диаметр около 10 мкм, очень высокую прочность, достигающую 2000 МПа, и применяется в рубленом или непрерывном виде.