6.4. Особенности технологического процесса получения композиционных материалов «нитевидные кристаллы – матрица».
Технология таких композиционных материалов включает две стадии: подготовку н.к. и собственно изготовление композита.
Стадия подготовки н.к. подразумевает проведение трех основных технологических операций: их классификацию по размерам, создание покрытия на их поверхности и ориентирование (то есть придание им заданного расположения и направленности).
Классификация н.к по размерам. – это выделение из большого объема исходного продукта определенных фракций, характеризующихся малым разбросом н.к. (внутри этих фракций) по длине и площади поперечного сечения. Чаще всего классификацию тонких н.к. (диаметром 1-5 мкм и длиной 100 - 1000 мкм) проводят жидкостным методом в специальной установке – сепараторе (рис. 6.22). Для этого водную суспензию – 6, содержащую 1-5% об н.к., подают в сепаратор, главной частью которого являются два вращающихся ситовых барабана 1 и 2. Длинные волокна задерживаются на сите 1 и смываются пропускаемой через барабаны водой 7 в сборник 3. Короткие волокна проходят через оба сита и поступают в сборник 4. Сепаратор снабжен набором сит, что позволяет за счет повторных пропусканий собранных фракций сократить разброс н.к. по длине. На таком сепараторе эффективно обрабатывают н.к. SiC и Si3N4, у которых, как правило, малый разброс по диаметру.
Создание покрытия на поверхности н.к. Необходимость этой операции обусловлена тем, что получаемое покрытие способно исключить химическое взаимодействие н.к. с матрицей, либо обес-
Рис. 6.22. Схема сепаратора для нитевидных кристаллов.
1, 2 – ситовые барабаны, 3, 4 – сборники волокон, 5 – слив воды, 6 – волоконная суспензия, 7 – вода.
печить их смачивание расплавом матрицы. Кроме того, оно предотвращает повреждение н.к. на последующих технологических переделах и при транспортировке.
Существует несколько способов нанесения покрытий на поверхность н.к.: химическое парофазное осаждение, распыление путем ионной бомбардировки мишени, вакуумное испарение, электролиз, погружение в органическую суспензию, наполненную тонкодисперсным порошком, химический состав которого определяет состав будущего покрытия. Наиболее распространены первые два способа. Химическое парофазное осаждение из карбонилов и галогенидов применяют, нанося на поверхность н.к. Ni, Ti, W. В среде аргона ионной бомбардировкой соответствующей мишени наносят покрытия из самых разнообразных металлов и соединений: никеля, титана, меди, вольфрама, рения, молибдена, тантала, нихромов, стали, хрома, алюминида никеля, борида вольфрама и др.
Ориентирование н.к. Ориентированию н.к. и объединению их с матрицей придается особое значение, так как от расположения и направленности этих армирующих элементов непосредственно зависят механические свойства будущего композита. Основные трудности, встречающиеся в процессе ориентирования, связаны с малой величиной н.к. и их огромным количеством в единице объема.
Известно много способов ориентирования н.к: экструзия (направленное истечение при обжатии), воздействие магнитного и электрического поля, текстильный метод (вытягивание, разравнивание гребенкой), ситовой и вибрационный методы. Чаще всего используются экструзия и вытягивание. Оригинальный метод ориентирования н.к. заключается в использовании диэлектрической жидкости. Если в такую жидкость погрузить пластины-электроды и создать между ними электрическое поле, то взвешенные в жидкости н.к. поляризуются и располагаются вдоль силовых линий поля. В качестве одного из электродов используют движущуюся полосу металлической фольги. При выходе ее из жидкости капиллярные силы наволакивают на фольгу н.к., располагающиеся параллельными рядами. Высушив такие листы, их укладывают в стопку и уплотняют горячим прессованием.
Изготовление композита «нитевидные кристаллы – матрица» подразумевает объединение (или, иначе говоря, совмещение) н.к. с матрицей. Все методы такого совмещения принято подразделять на твердофазные, жидкофазные и молекулярные (за счет осаждения на поверхность н.к. молекул, соответствующих составу матрицы, из паровой фазы или из раствора).
Твердофазные методы совмещения включают механическое смешивание матричного порошка с н.к., формование заготовки из композитной порошковой смеси различными методами (прессованием, экструзией, горячим шликерным литьем, литьем из водных суспензий) и последующее горячее прессование, либо обычное спекание. Отметим, что горячему прессованию или горячему изостатическому прессованию можно подвергать непосредственно композитную порошковую смесь. Кроме того, хрупкие н.к. (SiC, Si3N4) смешивают с матричным порошком только через водные суспензии этих компонентов во избежание разрушения н.к.
Жидкофазные методы совмещения предполагают использование расплава матрицы в процессе получения композита. Чаще всего применяется пропитка пористого каркаса, образованного из н.к., расплавом матричного состава. Проникновение расплава в поровое пространство каркаса, называемое инфильтрацией, обеспечивает возникновение связи между матрицей и н.к. и не приводит к разрушению последних. Известна пропитка каркасов из н.к. расплавами таких металлов, как Al, Cu, Ag. Например, для проведения пропитки алюминием каркаса из сапфировых н.к. требуется создание на их поверхности нихромового покрытия, существенно улучшающего смачивание расплавом армирующих элементов. В этом случае становится возможной пропитка под действием капиллярных сил. Кроме того, применяется горячее прессование в присутствии жидкой фазы.
Молекулярные методы совмещения заключаются в химическом или электролитическом осаждении молекул матрицы на поверхность н.к. из пара или раствора. Созданные тонкие металлические покрытия (толщиной до 1 мкм), как указывалось ранее, применяют для обеспечения смачивания или создания электропроводящего слоя на непроводящем армирующем элементе. Тогда как толстые покрытия (сотни и тысячи микрометров), после уплотнения засыпки н.к., будут выполнять роль матрицы. Например, химическим осаждением из пара получают толстые покрытия из никеля и его сплавов на поверхности алюмооксидных н.к. А изготавливая электроосаждением композит, состоящий из никелевой матрицы с алюмооксидными н.к., сначала методом ионной металлизации в паровой фазе на н.к. наносят тонкое проводящее покрытие из вольфрама. Затем полученные волокна укладывают на стеклоткань и подсоединяют к электроду, тогда осаждаемый никель заполняет промежутки между волокнами. После этого листовой полуфабрикат разрезают на полосы, собирают их в стопку и подвергают горячему прессованию.