книги из ГПНТБ / Рудой, Б. Л. Композиты

эффициент теплового расширения — 2—5-ІО6 град-1. Для удовлетворения этих требований есть два пути. О них мы уже говорили. Один заключается в улуч­ шении свойств известных сплавов, второй, к кото­ рому сейчас приковано внимание специалистов,— в создании композиционных материалов на основе ме­ таллической матрицы и введенных в нее волокон. Профессор Кембриджского университета А. Котрелл дает такую оценку новым материалам с волокнистой арматурой: «Упрочнение волокнами имеет так много преимуществ — большую прочность, стойкость к раз­ рушению, высокотемпературную прочность, темпера­ турную устойчивость и дешевизну, легкость и хими­ ческую пассивность материалов волокон,— что, повидимому, в будущем составит основу для получения прочных инженерных материалов. Главные пробле­ мы — технологические».

Исследования ученых, занимающихся созданием композиционных материалов, направлены на опреде­ ление факторов упрочнения. Сочетание механических свойств матрицы и волокон, способность волокон сохранять прочность во время изготовления, проч­ ность связи на границе раздела волокно—матрица и другие факторы играют первостепенную роль. Они открывают широкие возможности для научного по­ иска.

Композиции с арматурой из непрерывных ориен­ тированных волокон нёчали изучать на моделях из вольфрамовых волокон и медной матрицы. Сразу же встал вопрос о критическом объемном содержании волокон в композиции. Излишнее количество волокон в матрице приводило не к ее упрочнению, а к раз­ упрочнению. Предел прочности композиционного ма­ териала снижался: поперечное сечение испытуемого образца было как бы ослаблено волокнами. Для

120

каждого сочетания арматуры и матрицы существует свой показатель критического объемного содержания волокон.

Если разница в прочностных характеристиках материала волокна и матрицы значительна, упроч­ нение последней начинается при меньшем объемном содержании волокон. Разумеется, степень упрочне-, ния прежде всего зависит от прочности арматуры. Большую роль в данном случае играют нитевидные

кристаллы и высокопрочные волокна, например про­ волока.

I У таких армирующих материалов, как непрерыв­ ные волокна бора, углерода, карбида кремния, оки­ си алюминия, прочность наиболее высокая. У двух первых она достигает 300—350 кг/мм2 при модуле упругости 30 000—40 000 кг/мм2. Средняя прочность нитевидных кристаллов карбида кремния и окиси алюминия в несколько раз превышает и эти показа­ тели.

Несмотря на то что прочность нитевидных крис­ таллов превосходит прочность непрерывных волокон, разработка композиционных материалов на основе последних продвинулась значительно дальше. Отно­ сительно нитевидных кристаллов предстоит решить ряд проблем, главной цз которых является способ их переработки в волокнистые маты.

Зачастую волокна вводят в матрицу методами по­ рошковой металлургии, путем пропитки пучка воло­ кон жидким металлом, предварительного нанесения металлического покрытия на волокна с последующим прессованием и спеканием. Однако методы порошко­ вой металлургии не всегда дают нужные прочност­ ные показатели. Плохая смачиваемость волокон жидким металлом приводит к образованию пор, сни­ жающих прочностные показатели композиционного

121

материала. Улучшить ее можно, осаждая на волокнах покрытие из паровой фазы, пользуясь методами элек­ троосаждения и другими способами.

Некоторыми исследователями были получены вы­ сокие прочностные показатели композиции на основе алюминия с кварцевыми волокнами при повышен­ ной температуре. Преимущества такого композици­ онного материала были особенно заметны при его сопоставлении со сплавами типа САП, содержащего 10 процентов дисперсной фазы AI2O3. Предел проч­ ности композиционного материала с волокнистой арматурой превосходил предел прочности сплава САП в 2—3 раза. Дело за улучшением технологии

получения такой композиции.

Широкие масштабы приобрело использование в качестве арматуры для композиционных материалов тонких металлических проволок. В сравнении с ните­ видными кристаллами это объясняется более низкой стоимостью их производства, однородностью получа­ емых на их основе композиционных материалов и возможностью изготовления из них полуфабрикатов

ввиде сетки или каркаса.

Вгоды, когда некоторые специалисты США объ­

ясняли советские успехи в космосе чудо-горючим, в лабораториях многих американских фирм велись ра­ боты по созданию горючего из бора. Ведь теплотвор­ ная способность водородных соединений бора — бороводородов в полтора раза выше, чем у лучшего углеводородного топлива. И сгорают они с молние­ носной быстротой, что немаловажно для ракетных двигателей. Но результаты работ не принесли ожи­ даемого. В конце концов чудо-горючим оказался во­ дород. Однако нет худа без добра — было решено изготовить из бора высокопрочные волокна. Через несколько лет это осуществили. В 1964 году были

122

созданы полупромышленные установки для произ­ водства волокон из бора.

Процесс их получения заключается в осаждении бора из паровой фазы смеси треххлористого бора с водородом на предварительно очищенную и нагре­ тую током до 1090° вольфрамовую проволоку диа­ метром 12 микрон. Свойства волокон будут зависеть от точности соблюдения температурного режима, степени кристаллизации осаждаемого продукта, от примесей и скорости движения вольфрамовой прово­ локи в камере. Структура волокна выглядит так: центральный стержень борида вольфрама окружен слоем аморфного бора. Диаметр волокон бора лежит

В то время как в США разворачивалось произ­ водство волокон йз бора, в Англии появился новый перспективный материал — углеродные волокна. Ос­ новой для их получения служили используемые в текстильной промышленности органические волокна: полиакрилнитрил и вискоза. Процесс изготовления углеродных волокон сводится к специальному режи­ му термообработки исходного волокна и к его хими­ ческой обработке.

Органические волокна нагреваются в камере с инертным газом до температуры 200—300°, при кото­ рой между макромолекулами полимера возникают поперечные связи. После такой обработки волокна чернеют. На второй стадии термообработки — до 1000—1500°—получают так называемые карбонизи­ рованные волокна, на 80—95 процентов состоящие из элементарного углерода и обладающие достаточно высокой прочностью. После третьей стадии термооб­ работки— при температуре 1500—3000°'—получается

123

конечный продукт — графитизированные углеродные волокна с кристаллической структурой, близкой к структуре графита.

Вслед за единичными волокнами из графита бы­ ли получены графитовая пряжа и графитовая ткань. Американская фирма «Юнион Карбайд» в одном из рекламных проспектов приводила данные прочности графитового волокна в этой ткани — ее значение ко­ лебалось от 3870 до 7030 кг/см2.

Графитовая ткань обладает низким коэффициен­ том термического расширения и не плавится при повышенных температурах. Прочность ее при этом даже увеличивается. К числу других ее положитель­ ных характеристик относятся высокая теплопровод­ ность, инертность практически во всех агрессивных средах, низкая плотность, способность замедлять нейтроны. Однако волокна из графита могут окис­ ляться на воздухе и химически взаимодействовать с металлами. Для защиты от окисления и улучше­ ния совместимости с металлической матрицей на эти волокна электрохимическими методами наносят ме­ таллические и керамические покрытия.

Среди различных композиционных материалов с

:арматурой особое место занимает алюминий, арми­ рованный стальной проволокой, кремнеземными во­ локнами, волокнами бора, «усами» окиси алюминия (сапфира), углеродными волокнами и бериллиевой проволокой.

Значительный интерес представляет армирование алюминиевых сплавов стальной проволокой. Оно позволяет снизить себестоимость композиционного

124

проволоки 20—25 процентов плотность таких мате­ риалов составляет 4—4,5 г/см3, моДуль упругости — 10000 и прочность—120 кг/мм2. Возникновение на границе раздела упрочнитель — матрица зоны хруп­ ких интерметаллидов, резко снижающих прочность,— недостаток большей части способов получения этих материалов. Наиболее перспективные из способов—■ гальваническое осаждение металла матрицы и сварка взрывом, характеризующаяся кратковременным воз­ действием высокой температуры.

Прочность композиционного материала из алю­ миниевого сплава, армированного кварцевыми во­ локнами, при содержании волокон 50 процентов при комнатной температуре составляет 23 кг/мм2, при 400° — 20, а при 540°—16,8 кг/мм2. В то же время алюминиевый сплав без волокнистой арматуры при 400° обладает прочностью 5 кг/мм2. Выдержка ком­ позиционного материала при этой температуре в те­ чение 150 часов не снижает его прочностных пока­ зателей.

С увеличением объемной доли вольфрамовых во­ локон, введенных в матрицу, заметно увеличивается прочность композиционного материала. Своеобраз­ ной платой за это служит увеличение его плотности. Конкурировать с вольфрамовыми могут лишь молиб­ деновые волокна, плотность которых (10,2 г/см3) почти вдвое меньше, чем у вольфрамовых (19 г/см3). Для температурного интервала 800—900° молибде­ новая арматура более перспективна, чем вольфрамо­ вая, но с ростом температуры она уступает место вольфрамовой. /

Волокнистоподобная структура в пластичной ма­ трице может формироваться способом растягиваю­ щей пластической деформации. Благодаря ей исход­ ная структура, содержащая включения сферических

125

вольфрамовых зерен, внедренных в пластичную матрицу, превращается в композиционный материал, упрочненный дискретными волокнами.

Оптимальный композиционный материал состоит из матрицы в виде твердого раствора Ni — Cr — W с вольфрамовыми включениями. В такой компози­ ционной структуре хрупкие вольфрамовые зерна можно удлинять деформацией при комнатной темпе­ ратуре. Образующиеся дискретные волокна защище­ ны от окисления, матрица содержит большое количе­ ство хрома. Прочность матрицы при температуре около 900° всего 5—6 кг/мм2, а прочность компози­ ционного материала в 8—9 раз выше.

Введение волокон бора в алюминиевый сплав по­ вышает его прочность до 120—130 кг/мм2, а модуль упругости — до 2,4-ІО4 кг/мм2. Благодаря этому вес некоторых деталей фюзеляжа самолета снижен на 18—60 процентов.

В иных случаях целесообразно вводить в матери­ ал упрочняющую арматуру в виде волокон бора в процессе литья. Для снижения степени взаимодейст­ вия волокон с расплавленным металлом их предва­ рительно покрывают нитридом бора. Длительная прочность композиционного материала растет с уве­ личением в нем содержания волокон бора. Такой ма­ териал превосходит прочностью не только известные литейные алюминиевые сплавы, но и спеченные алю­ миниевые порошки.

Так, композиционный материал с 35 процентами

напряжением 15,4 кг/мм2. Этот композиционный ма­ териал сохраняет высокий уровень прочности в ши­ роком интервале температур. Он применяется для

126

сверхзвуковых самолетов, совершающих полеты со скоростью, соответствующей числу М—3. Значительно снижается вес конструкции, одновременно повыша­ ется ее жесткость и прочность. Возможность приме­ нять боралюминий при температуре выше 300° поз­ воляет заменять им титановые сплавы.

Существует несколько технологических методов изготовления боралюминия. Это диффузионная свар­ ка пакета из чередующихся слоев алюминиевой фоль­ ги и волокон бора под давлением, пропитка пучка волокон бора жидким металлом, плазменное напы­ ление алюминиевой матрицы на монослои этих во­ локон, уложеЦных на поверхности вращающегося барабана.,

Метод диффузионной сварки сводится к следую­ щему. Слои алюминиевого сплава в виде фольги и уложенные на нее в виде пакета волокна бора под­ вергают давлению в подогреваемой пресс-форме. Меняя толщину фольги и шаг укладки волокон, можно в широких пределах влиять на физико-меха­ нические свойства композиционного материала.

Для получения композиции с арматурой из угле­ родных волокон используют метод пропитки волокон жидким металлом. По сравнению с вакуумной про­ питкой протягивание волокон через расплав и филье­ ры для получения прутков, труб и профилей — менее перспективный метод из-за длительного контакта компонентов, который приводит к появлению карби­ дов алюминия. Они ослабляют связи на границе раз­ дела фаз, что снижает прочностные показатели ком­ позиционного материала. Предотвратить химическую реакцию металла с волокнами бора можно, на­ матывая их на оправку, которая служит катодом, с одновременным электронанесением на них метал­ ла матрицы.

127

По-видимому, наилучшими из всех способов яв­ ляются способы плазменного напыления и нанесения металла из паровой фазы. Они позволяют получать полуфабрикат с высокими показателями.

Хорошие показатели удельной прочности, жест­ кости и жаропрочности получены при испытании композиционного материала, созданного на основе алюминиевых сплавов и нитевидных кристаллов оки­ си алюминия, производство которых начало выхо­ дить из стадии лабораторных исследований.

Термическое расширение композиционных мате­ риалов в значительной степени зависит от природы и состава волокнистой арматуры, от технологии ее изготовления, температуры металла, наносимого на волокна, скорости его охлаждения, определяющей уровень остаточных напряжений, температуры прес­ сования, характера и прочности связей между волок­ нами и металлом матрицы.

Коэффициент термического расширения компози­ ционного материала на алюминиевой основе при температуре выше 350° близок к коэффициенту тер­ мического расширения волокон бора, содержание ко­ торых составляет 30 процентов. Коэффициент тер­ мического расширения алюминия, содержащего 70 процентов волокон кварца, значительно прибли­ жается к коэффициенту термического расширения кварцевой арматуры. Шпангоут для самолета из алюминиевого сплава весит 45 килограммов. Исполь­ зуя армированный борными волокнами титан, уда­ лось снизить его вес до 25 килограммов. Благодаря большой жесткости таких шпангоутов расстояние между ними увеличили вдвое, что привело к уменьше­ нию количества крепежных деталей. Снижая таким образом вес самолета, можно увеличить его нагруз­ ку, не уменьшая скорости.

128