книги из ГПНТБ / Колпашников, А. И. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами

лоски толщиной в несколько микронов, ширина которых в 2—3 раза больше толщины, длина ^ 30 мм. После обжига в печи с воздушной атмосферой при температуре 1200°С получают волокна окисной керамики.

В качестве примеров использования всех возможныхтиповых стадий производства рассмотрим процессы по­ лучения волокон окиси алюминия. На первой стадии при­ готовляют 50%-ный раствор формоацетата алюминия

А1,(ОН) (СН02) (С2Нй0 2), порошок которого размешива­ ют в воде с добавкой 10% -ной винной кислоты, нагрева­ ют до 50—^80°'С и некоторое время выдерживают. Затем производят вакуумирование раствора (при 25°С), в ре­ зультате чего удаляются воздух, вода и остатки свобод­ ной кислоты. Выдержку в вакууме продолжают до тех пор, пока вязкость не достигнет 2000—2500 П. Вязкий раствор (рис. 48) заливают в резервуар, -герметизируе­ мый сверху жидким азотом (давление 0,1—0,2 ат). Раст­

111

вор «выда1вливается»из резервуара в шестеренчатый на­ сос, число оборотов которого регулируется в соответст­ вии с требуемым давлением в питающем трубопроводе. Для предупреждения возможности попадания в фильеры твердых инородных частиц или частиц из осадка раство­ ра на пути последнего установлен пористый фильтр. По­ стоянство вязости раствора достигается использованием «изотермической бани». Фильеры для формования воло­ кон окиси алюминия аналогичны используемым для по­ лучения искусственного шелка'— платиновые стаканчики диаметром и глубиной 12 м-м с отверстиями диаметром 0,127 мм (число отверстий 15 я более) и высотой 0,25— 0,5 мм. Волокна, выходящие из фильеры, попадают в по­ ток теплого воздуха, происходит испарение воды, и во­ локна дополнительно вытягиваются ,при намотке на ба­ рабан. При этом диаметр волокон уменьшается до 10— 2'5 мкм. После сушки волокна медленно нагревают до Ш00°С. В интервале 500—700°С органическое вещество выгорает, и остается аморфная окись алюминия. При достижении температуры 1000°С образуется хмодификация у-АЬОз, при более высоких температурах — корун­ довая модификация а-А120 3 [2].

Волокна окиси алюминия диаметром 6—60 мкм и длиной 15—20 м можно получить экструзией массы при давлении 10—15 МН/м2 (100—150 кгс/см2); масса, помимо пластификатора СК-40, содержит стабилизирую­ щую добавку— 2% ,СаО [82].

Предел прочности лоликристаллических волокон оки­

Для производства стеклянных волокон применяют либо щелочные алюмосиликатные, либо малощелочные алюмобюрсиликатные стекла.

Для получения стекловолокна существуют три основ­ ных способа:

1) вытягивание волокон из рааплавленой массы через фильеры;

2) вытягивание волокон из стеклянных штабиков при их разогреве;

8) получение волокон расчленением струй стекломас­ сы под воздействием центробежных сил или -воздействн-

112

Следует отметить, что кратковременная прочность стеклянных волокон значительно выше длительной. Это связано прежде всего с тем, что стекло подвергается кор­ розионному ослаблению под действием адсорбируемой влаги.

\4ооо(Ьо) ■v/" " “**

сохранять высокую прочность при повышенных темпера­ турах (рис. 50).

Механическая прочность стекловолокна заметно сни­

114

Очень высокую прочность имеют волокна S-стекла

(например), марки AF-994 или S-994) [81 ]. 1При плотности 2,48—2,49 ;г/см3 предел прочности их при ком­ натной температуре может достигать 4660 МН/м2 (465 кгс/мм2).

Плавленые непрерывные волокна из кварцевого стек­ ла получают вытяжкой стержней диаметром 0,2—2,,0 мм. Стержни подают в пламя водородной или обычной га­ зовой горелки с [постоянной скоростью, и из размягченно­ го концевого участка (температура размягчения 1670°С) вытягивают нить [83] и наматывают на полированный барабан. Прочность таких волокон возрастает с их уто­ нением. Волокна диаметром 0,8 мкм имеют предел проч­ ности 6500 МН/м2 (650 кгс/мм2). Максимальная проч­ ность в отдельных партиях достигает 9800 МН/м2 (980 кгс/мм2). Плавленые кремнеземные волокна имеют пониженную плотность 2,20—2,21 г/см3, высокие модуль упругости 736001—74900 М|Н/м2 (7360—7490 кгс/мм2) и модуль сдвига 31400—81900 МН/м2 (3140—3190 кгс/мм2),

причем упругие характеристики этих волокон увеличива­ ются с повышением температуры: модуль упругости при 900°>С достигает 83000 (8300), а модуль сдвига 34500 М'Н/м2 (3450 кгс/мм2). Прочность плавленых квар­ цевых волокон при повышенных температурах остается высокой [80]:.

Плавленые кварцевые волокна иногда производят с металлическим покрытием [84]. Покрытие наносят не­ посредственно после выхода волокна из фильеры, про­ пуская его через ванну с расплавом никеля, молибдена, алюминия, железа, циркония или других, металлов. На рис. 51 показана схема получения алитированных квар­ цевых волокон, прочность которых при диаметре 20 мкм составляет 2800 МН/м2 (280 кгс/мм2).

.Весьма перспективны армирующие волокна бора [81, 85]. Волокна бора обычно имеют металлическую туго­ плавкую (вольфрамовую) сердцевину (диаметр 13 мкм). Эти волокна имеют предел прочности 3500 (350), модуль упругости 420000 МН/м2 (42000 кгс/мм2) и плотность

2,6 г/см3.

115

Борволокно получают восстановлением галогенидов (ВС1, ВВгз, В1,3) в присутствии водорода либо термиче­ ским разложением гидрида бора [2].

В первом случае происходит следующая реакция:

2ВС1, + ЗН 2-*2В + 6НСН.

Во втором случае реакция показана обобщенно, так как существуют различные модификации гидрида бора:

В , Н ^ * В + у/2 Ня.

Осаждение бора проводят в герметичной камере (рис. 52), предварительно электрически нагревают воль­ фрамовую нить — сердечник или подложку и очищают ее поверх­ ность. В качестве газового затво­ ра применяют ртуть. В камеру осаждения газ (например, ВС13)

поступает при действии избыточ­ ного давления.

Температура осаждения имеет решающее значение. При пони­ женных температурах (980°С и ниже) скорость осаждения бора слишком мала. При повышенных температурах (1200—1315°С) растут крупные кристаллиты, что заметно снижает прочность воло­ кон.

Бор, осажденный из паровой фазы, имеет несколько структур­ ных модификаций;наиболее проч­ ны волокна с микрокристалличе­ ской структурой. В процессе вы­ держки какого-либо участка вольфрамовой нити в камере осаждения в течение 1—2 мин

получают борволокно диаметром 76—127 мкм. Длина получаемых по рассмотренной схеме волокон достигает

3000 м.

Большое внимание.в последнее время уделяется раз­ витию процессов производства углеродных волокон. В ка­ честве исходных используют целлюлозные, полиакрило­ нитрильные, поливинилспиртовые, поливинилхлоридные, полибензимидазольные и некоторые полиамидные во-

116

лоина. Чаще всего в промышленных масштабах приме­ няют гидрата,еллюлозные и полиакрилонитрильные во­ локна.

Наиболее .высокими прочностными свойствами обла­ дают волокна, получаемые в результате термической об­ работан химических волокон. По содержанию углерода и температуре термической обработки углеродные волок­ на делятся на три категории:

ние углерода не превышает 90%, а термическая обработ­ ка производится при температурах 360—450°С;

б) угольные, в которых содержание углерода 91—98%,

волокон) процесс может идти в несколько стадий. На­ пример, полиакрилнитрйльное волокно сначала нагрева­ ют до 220°С и выдерживают при этой температуре в те­ чение 20 ч. На этой стадии материал волокна окисляется кислородом воздуха. Затем волокно нагревают до 980°С

(14000 кгс/мм2). На следующей возможной стадии обра­ ботки (температура 2480—2бОО°С, выдержка 2 ч) к ни­ тям в течение 15 мин может быть приложено' натяжение 0,035 МН/м2 (0,35 кгс/см2). После такой обработки лре-

117

дел прочности повышается до 3500 М1Н/м2 (350 кгс/мм2), а модуль упругости — до 350 ГН/м2 (35000 кгс/мм2). На- 'юонец, нагрев! до 270О°С и выдержка в течение 1)5 мин позволяют еще более повысить модуль упругости — 420 ГН/м2 (42000 кгс/мм2). Для дополнительного повы­ шения прочности свойств волокон используют различные мары. Например, для увеличения прочности перед пиро­ лизом вводят буру либо золь кремневой кислоты, для увеличения модуля упругости при высокотемпературном вытягивании волокон вводят бор. Облучение углеродных волокон нейтронами позволяет увеличивать их модуль сдвига [86]. ■

Следует отметить, что продукты термического разло­ жения полиакрилонитрильного волокна очень-токсичны.

М|еханические свойства углеродных волокон, получен­ ных в результате термической обработки полиакрило­ нитрильного сырья, приведены в табл. 35.

Таблица 35

Характеристики углеродных волокон, выпускаемых в Англии [86]

сухой перегонки целлюлозных материалов. Пиролиз ве­ дут в защитных средах при ступенчатом либо линейном повышении температуры. Наиболее пригодными из гидратцеллюлозных волокон считают вискозные кордные во­ локна, а также омыленное нитроцеллюлозное, ацетатное и некоторые другие виды волокон [86].

На первой стадии обработки сырье очищают в водных растворах моющих средств или огранически.ми раствори­ телями. Затем сушат при температуре 100—125°С в те­ чение 10'—24 ч.

На второй, основной, стадии сырьевые волокна тер­

118

мически обрабатывают в электрических или газовых пе­ чах. При выполнении термической обработки необходимо тщательно контролировать температурный режим, осо­ бенно на заключительном этапе, а также скорость нагре­ ва и состав защитной среды. В качестве защитных сред используют инертные газы, галоиды, углеводороды либо смесь водяного пара, водорода и угарного газа (СО).

Термическую обработку гидратделлюлозного сырья можно вести в вакууме, но этот процесс связан со значи­ тельными техническими сложностями.

В ряде случаев вискозные волокна подвергают пиро­ лизу при нагреве до 250—400°С в различных органиче­ ских средах под давлением, а также в солевых и метал­ лических расплавах. Для повышения прочностных ха­ рактеристик волокон используют различные тугоплавкие и жаростойкие соединения — соли и окислы алюминия, хрома, никеля, цинка, меди, молибдена, марганца, бе­ риллия, кадмия, магния, ванадия, циркония, бария, бора,

Общий недостаток углеродных, волокон — их низкая стойкость против истирания и относительно низкая тем­ пература окисления. В связи с этим углеродные волокна целесообразно покрывать тонкими пленками тугоплав­ ких металлов, карбидов, нитридов или |боридов. В частности, весьма положительные результаты получены при покрытии углеродных волокон карбидами титана либо никеля, либо циркония, либо их смесью.

В табл. 37 приведены свойства нескольких видов

119

относительно редких высокопрочных волокон, особенно­ сти производства которых не рассматриваются.

Поликристаллические волокна можно получать и из

чение). Для этой цели можно использовать электрохими­ ческие методы, формирование волокон из расплава, осаждение металла из тазовой фазы и др. В частности, сделаны удачные попытки получения никелевой про­ волоки сечением 35x200 мкм избирательным электро­ химическим осаждением в спиральную канавку цилин­ дрической оправки. Однако следует отметить сложность изготовления оснастки и значительные затраты на про­ ведение процесса, который к тому же отличается крайне низкой производительностью.

Значительно дешевле и производительнее процесс вытягивания нитей из металлических расплавов. Таким способом, например, получена нить из стали с пределом прочности 4000 МН/м2 (400 кгс/мм2) за счет совершен­ ной поверхности. При получении этим способом нитей из тугоплавких металлов чрезвычайно сложен выбор материала фильер и контейнеров для расплава.

Получение металлических волокон осаждением из газовой фазы рассмотрено выше, при описании процессов производства борволокна.

Волокнистые монокристаллы, иногда называемые «усами», при совершенном строении имеют прочность, весьма близкую к теоретической, и по прочностным по­ казателям значительно превосходят поликристаллические волокна (предел прочности «усов» составляет 10—20% от модуля упругости).

120