Тема 11. Композиционные материалы.

Композиционным материалом (КМ) или композитом называют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов, строение которой позвояет использовать преимущества каждого из них.

Развитие современной тех­ники требует создания материалов, надежно работающих в комбинации силовых и температурных полей, при воздейст­вии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела кон­структивной прочности. Удовлетворить эти требо­вания можно путем использования композиционных материалов (КМ), которые позволяют создавать ранее недоступные принципиально новые конструкции, благодаря применению которых возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы машин и конструкций и повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационно-космических аппаратов. Важными характеристиками материалов, работающих в этих условиях, являются удельная прочность σ_в/уg и удельная жест­кость Е/уg, где σ_в - временное сопротивление, Е - модуль нор­мальной упругости, у - плотность материала, g - ускорение сво­бодного падения.

Композиционные материалы состоят из сравнительно пластичного матричного мате­риала-основы и более твердых и прочных компонентов, являющихся наполнителями. Свойства КМ зависят от свойств основы, наполнителей и прочности связи между ними.

Матрица придает изделию из композита заданную форму и монолитность, обеспечивая передачу и распределение нагрузки арматуре из наполни­телей, и защищает армирующие элементы от внешних воздействий. В зависимости от материала основы различают: КМ с металлической матрицей, или металлические композиционные материалы (МКМ), КМ с полимерной матрицей - полимерные композиционные материалы (ПКМ) и КМ с керамической матрицей - керамические композиционные материалы (ККМ).

Ведущую роль в КМ играют упрочняющие наполнители. Они имеют высокую прочность, твердость и модуль упругости. По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на дисперсноупрочненные, волокнистые и слоистые (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Схемы строения композиционных материалов: а - дисперсноупрочненные; б - волокнистые; в – слоистые

Дисперсноупрочненные композиционные материалы представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества: тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., не взаимодействующие с матрицей и не раство­ряющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, а дис­персные частицы наполнителя упрочняют материал за счет сопротивления движению дислокаций и, блокируя процессы скольжения в матрице, затрудняют пластическую деформацию. В дисперсноупрочненных КМ оптимальным содержанием дисперсной фазы считается 2-4%.

Эффективное сопротивление движению дислокаций создается вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсноупрочненные КМ отличаются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести. Дисперсноупрочненные композиты имеют одинаковые свойства во всех направлениях, так как упрочняющие дисперсные частицы имеют равноосную форму.

Таким образом, в дисперсноупрочненных материалах заданные прочность и надежность достигаются путем формирования определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объеме материала либо с определенной подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения.

Упрочнение дисперсными частицами позволяет достигать σ_т=10^-2G, где G – модуль сдвига, но при нагреве до Т=(0,6-0,7)Т_пл прочность резко снижается.

Эффективность упрочнения при условии минимального взаимодействия с матрицей зависит от вида час­тиц, их объемной концентрации, а также от равномерности рас­пределения в матрице. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем проч­нее КМ. Структурные факторы определяют следующий допустимый уровень статической прочности в конструкциях различного назначения: для сталей σ_в=1600-2000 МПа, для титановых сплавов σ_в=1000-1250 МПа, для алюминиевых сплавов σ_в=550-600 МПа,

Применяют дисперсные частицы туго­плавких фаз типа А1₂0₃, SiO₂, ВN, SiС, имеющие малую плотность и высокий модуль упругости. КМ обычно получают методом порошковой металлургии, важным преимуществом которого является изотропность свойств. Чаще всего применяют дисперсноупрочненные КМ на алюминиевой и реже – на никелевой основах.

Характерными представителями дисперсноупрочненных КМ на алюминиевой основе являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые состоят из алюминиевой матрицы, упрочненной дис­персными частицами оксида алюминия. Алюминиевый порошок получают распылением расплавленного металла с последующим измельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в присутствии кислорода. С увеличением длительности помола пудра становится мельче и в ней повышается содержание оксида алюминия. Дальнейшая технология производства изделий из полуфабрикатов из САП включает холодное прессование, предварительное спекание, горячее прессование, прокатку или выдавливание спеченной алюминиевой заготовки в форме готовых изделий, которые можно подвергать дополнительной термической обработке.

Марки САП, применяемые в России, содержат 6-23 % А1₂0₃. Различают САП-1 с содержанием 6-9, САП-2 с 9-13, САП-3 с 13-18 % А1₂0₃. С увеличением объемной концентрации оксида алю­миния возрастает прочность композиционных материалов. При комнатной температуре характеристики прочности САП-1 сле­дующие: σ_в = 280 МПа, σ_{0 2} = 220 МПа; САП-3: σ_в = 420 МПа, σ_{0 2} = = 340 МПа.

Сплавы типа САП удовлетворительно деформируются в горя­чем состоянии, а сплавы с 6-9 % А1₂0₃ - и при комнатной темпе­ратуре. Из них холодным волочением можно получить фольгу толщиной до 0,03 мм. Эти материалы хорошо обрабатываются резанием и обладают высокой коррозионной стойкостью.

Материалы типа САП обладают высокой жаропрочностью и превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы. Жаро­прочность объясняется тормозящим действием дисперсных час­тиц на процесс рекристаллизации. Характеристики прочности сплавов типа САП весьма стабильны. Испытания длительной прочности сплавов типа САП-3 в течение 2 лет практически не повлияли на уровень свойств как при комнатной температуре, так и при нагреве до 500 °С. При 400 °С прочность САП в 5 раз выше прочности стареющих алюминиевых сплавов. Влияние температуры на механические свойства сплавов типа САП показаны а таблице 11.1

Таблица 11.1 - Влияние температуры на механические свойства сплавов типа САП

Тисп,°C	20	100	200	300	400	500
σв ,МПа	380	315	235	175	130	105
σ02,МПа	2665	235	190	155	120	105
δ,%	7,0	6,5	5,0	3,5	2,0	2,5

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для из­готовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозион­ной стойкостью, работающих при температурах до 300-500°С. Из них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

В волокнистых композитах особенность структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластической матрице (содержание их, т.е. объемная доля, может достигать 75%). В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон. Армирование дает больший прирост прочности, но дис­персное упрочнение технологически легче осуществимо.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающих исходные характеристики его компонентов, но и включающие свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. Появление ряда новых свойств в композитах связано с гетерогенной структурой, обусловливающей наличие большой поверхности раздела между волокнами и матрицей, что существенно повышает стойкость к распространению трещин, определяется механизмом поглощения энергии в вершине растущей трещины. В композитах поперечные растягивающие напряжения на конце растущей трещины могут вызвать отслаивание волокон от матрицы, а сдвиговые напряжения на границе раздела – распространение отслоенных участков вдоль волокна. При отслаивании затрачивается энергия, поскольку волокна должны перемещаться относительно матрицы. Кроме того, при дальнейшем нагружении волокон до разрушения они могут разрываться в матрице вдали от плоскости распространения трещины. Поэтому для армированных материалов характерны такие механизмы повышения вязкости разрушения, которых нет у гомогенных материалов. Эти механизмы связаны с наличием в композиционных волокнистых материалов большого числа поверхностей раздела, которые могут стать тормозом на пути развития трещины. Можно отметить два явления, способствующих интенсивной диссипации энергии движения трещины – вытягивание волокон из матрицы и разрушение границы раздела между волокном и матрицей.

Повышенное сопротивление развитию разрушающих трещин в волокнистых материалах обусловлено их работоспособностью при значительных накопленных разрушениях.

Характерное для композитов высокое сопротивление усталости связано с тем, что высокомодульные волокна, воспринимающие основную нагрузку, как хрупкие материалы не снижают своей несущей способности при циклических нагрузках в отличие от пластически деформируемых материалов.

Армирование волокнистых КМ может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме (рис. 11.2).

Рис. 11.2 Схемы армирования волокнистых (а) и слоистых композиционных материалов (б)

Свойства волокнистых композитов в большой степени зависит от схемы армирования. Ввиду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при одноосном армировании физическим и механическим свойствам присуща анизотропия. При нагружении растяжением временное сопротивление и модуль упругости КМ достигает наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших - в поперечном направлении. Например, КМ с матрицей из технического алюминия АД1, упрочненный волокнами бора, в направлении волокон имеет σ_{в =} 1000 ÷ 1200 МПа, а в поперечном – всего 60 ÷ 90 МПа. Анизотропия свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением волокон. Однако по сравнению с одноосным армированием прочность вдоль волокон уменьшается почти в 3 раза с 1000 до 350 МПа. Остаются низкими характеристики при сжатии и сдвиге.

Модуль упругости КМ подсчитывают, исходя из свойств и объемного содержания волокон и матрицы:

(11.1)

Например, модуль упругости КМ с алюминиевой матрицей (Е = 70 ГПа), упрочненного 50об. % волокон бора (Е = 420 ГПа) равен 70х0,5+420х0,5 = 245 ГПа, что хорошо согласуется с модулем упругости реального композита ВКА-1. Временное сопротивление КМ изменяется в зависимости от объемного содержания наполнителя также по закону аддитивности:

, (11.2)

где σ^в и σ^м - соответственно временное сопротивление волокна и матрицы.

Исключение составляют материалы с очень малым (<5%) или очень большим (>80%) содержанием волокон.

Малые значения прочности и жесткости КМ в направлении, перпендикулярном расположению волокон, при растяжении объясняется тем, что в этом случае, также как при сжатии и сдвиге, они определяются свойствами матрицы. Поэтому при изготовлении деталей из КМ волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать их свойства с учетом действующих в конструкции нагрузок.

Большую роль играет матрица в сопротивлении КМ усталостному разрушению, которое начинается с матрицы. Гетерогенная структура поверхности раздела между волокном и матрицей затрудняет процесс распространения трещины в направлении, перпендикулярном оси волокон. В связи с этим КМ характеризуются высокими значениями предела выносливости. Так по пределу выносливости КМ на алюминиевой основе превосходят лучшие алюминиевые сплавы в 3 – 4 раза.

Прочность КМ в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей. Для их качественного соединения необходимо обеспечивать хороший контакт (без загрязнений, газовых и других включений) по всей поверхности соединений.

Компози­ционные материалы относятся в основном к термодинамически неравно­весным системам, что является главной причиной диффузионных процессов и химических реакций, происходящих на границе раздела между волокном и ма­трицей. Эти процессы протекают при изготовлении композиционных материа­лов и при их использовании. Некоторое взаимодействие между компонентами необходимо для обеспечения прочной связи между ними, передачи напряже­ний. Для металлических компози­ционных материалов прочная связь между волокном и матрицей осущест­вляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1-2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаи­модействия, то на волокна наносят спе­циальные покрытия для его обеспече­ния, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими. Связь между компонентами в композиционных материалах на неме­таллической основе осуществляется с помощью адгезии.

Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепле­ния достигается травлением, поверх­ностной обработкой волокон, называемой вискеризацией. Вискеризация - это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендику­лярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора на­зывают «борсик». Вискеризация способ­ствует повышению сдвиговых характе­ристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна.

На поверхности соединения компо­нентов не должно происходить химиче­ских реакций, приводящих к повреждению волокон, ухудшению их свойств и свойств композиционного материала.

При сильном взаимодействии компо­нентов временное сопротивление воло­кон и композиционного материала в це­лом значительно снижается. Например, временное сопротивление волокон карбида кремния в композиционном материале с титановой матрицей в результа­те такого взаимодействия снизилось с 320 до 210 МПа, что вызвало сниже­ние временного сопротивления композиционного материала на 30%. Для уменьшения взаимодействия применяют легирование как матрицы, так и волокон, защитные покрытия волокон, низкотемпературные и высокотемпературные способы изготовления КМ.

Кроме того, прочность сцепления волокон с матрицей зависит от их механической совместимости, на которую влияет разница в пластических свойствах, в коэффициентах Пуассона и линейного расширения, модулей упругости. Механическая несовместимость приводит к возникновению остаточных напряжений на границах раздела, которые при достижении определенной величины вызывают разрушение связи между волокнами и матрицей.

Податливая матрица, заполняя пространство между волокон, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица - волокно. Следовательно, механические свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица – волокно.

Армирующие волокна (упрочнители) применяемые в конструкционных материалах, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и тех­нологических требований. К первым относятся требования по прочности, жесткости, плотности, стабильности свойств в определенном температурном интервале, химической стойкости и т. п.

Теоретическая прочность материалов σ_м возрастает с увеличением модуля упругости Е и поверхностной энергии у вещества и падает с увеличением расстояния между соседними атомными плоскостями а₀:

(11.3)

Следовательно, высокопрочные твердые тела должны иметь высокие модули упругости и поверхностную энергию и возможно большее число атомов в единице объема. Этим требованиям удовлетворяют бериллий, бор, углерод, азот, кислород, алюминий и кремний. Наиболее прочные материалы всегда содержат один из этих элементов, а зачастую состоят только из элементов указанного ряда.

При создании волокнистых композитов применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, а также волокна и нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и других соединений.

На рис. 11.3 приведены диаграммы растяжения некоторых типов армирующих волокон.

Рис. 11.3. Характерные диаграммы растяжения высокопрочных волокон, применяемых в современных композитах: 1 — борных; 2 — высокомодульных; 3 — высокопрочных углеродных; 4 — органических; 5 — 5-стекла; 6 — Е-стекла

Армирующие волокна могут иметь неоднородную структуру и обладать анизотропией механических характеристик. К волокнам с ярко выраженной анизотропией относятся органические арамидные волокна, углеродные, борные. Стекловолокна и металлические волокна рассматриваются как однородные и изотропные. Анизо­тропия свойств волокон может оказать существенное влияние на характери­стики композитов на их основе.

В качестве армирующих элементов при создании композитов на основе металлических матриц применяются тонкие проволоки из стали, вольфрама, бериллия, ниобия и других металлов.

Армирующие компоненты в компо­зитах применяются в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов.

Стеклянные волокна широко применяют при создании неметаллических кон­струкционных композитов — стеклопластиков. При сравнительно малой плотности (2,4÷2,6)-10³ кг/м³ они имеют высокую прочность, низкую теплопроводность, теплостойки, стой­ки к химическому и биологическому действию. Стекловолокна весьма термостойки

Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекло­массы через фильеры диаметром 0,8— 3,0 мм и дальнейшим быстрым вытя­гиванием до диаметра 3—19 мкм.

Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем, который предотвращает истирание волокон при транспортировке и различных ви­дах переработки. Наиболее перспективны активные замасливатели, выполняющие двойную функцию — предохранение волокна от разрушения и улучшение адгезии ме­жду стеклом и полимерной матрицей.

Органические волокна (волокна на основе арома­тических полиамидов - арамидов) применяют для получения высокопрочных и высоко­модульных композитов с полимерной матрицей -органопластиков.

Высокомодульные и высокопрочные арамидные волокна обладают уникаль­ным комплексом свойств: высокими свойствами упругости, термостабильностью, позволяющей эксплуатировать их в широком температурном интервале, хорошими усталостными и диэлектри­ческими свойствами, незначительной ползучестью. Благодаря низкой плот­ности арамидные волокна по удельной прочности превосходят все известные в настоящее время армирующие во­локна и металлические сплавы, усту­пая по удельному модулю упругости углеродным и борным волокнам. Ара­мидные волокна отличаются хорошей способностью к текстильной перера­ботке. Так, сохранение прочности арамидных волокон после ткачества со­ставляет 90% исходной прочности ни­тей, что дает возможность применять их в качестве тканых армирующих материалов.

Углеродным волокнам присущи высокая теплостойкость, низкие коэффициенты трения и термического расширения, высокая стойкость к атмосферным воздействиям и химическим реагентам, различные электрофизические свойства (от полупроводников до проводников). Углеродные волокна имеют высокие значения удельных механических характери­стик. Они делятся на карбонизованные (температура термо­обработки 1173—2273 К, содержание углерода 80—90%) и графитизированные (температура термообработки до 3273 К, содержание углерода выше 99%).

Углеродные волокна имеют фибриллярное строение. Характерный эле­мент структуры - закрытые поры, которые могут занимать до 33% объема волокна. Увеличение числа пор снижает прочность волокна при растяжении. Структура углеродного волокна показана на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Структура углеродного волокна: А – поверхностный слой, В – высокоориентированная зона, С – низкоориентированная зона,1 – микрофибриллы, 2 – аморфный углерод

Существуют два основных типа исходных материалов для углеродных волокон: химические волокна — вискозные или полиакрилонитрильныее (ПАН) и углеродные пеки.

Процесс получения углеродных волокон из ПАН-волокон включает текстильную подготовку материала, окисление, высокотемпературную обработку (карбонизацию и графитацию).

В процессе высокотемпературной обработки осуществляется переход от органического к углеродному волокну. Обработка проводится в ва­кууме или в инертной среде. Конечная температура термообработки существенно влияет на свойства углеродных волокон. Из­меняя ее, можно управлять свойствами волокна.

Более дешевые и доступные исходные материалы - нефтяные и каменноугольные пеки, представляющие собой смесь олигомерных продуктов. Волокна из них формуют, пропуская расплав при температуре 370- 620 К через фильеры диаметром 0,3 мм. Затем сформованное волокно вытягивается до степени вытяжки 100 000— 500 000% . При этом достигается высо­кая ориентация макромолекул волокна. Карбонизация и графитизация пековых волокон производится ана­логично ПАН-волокнам.

Углеродные волокна, применяемые для армирования конструкционных ма­териалов, условно делятся на две группы: высокомодульные (Е =300÷700 ГПа, σ_в=2÷2,5 ГПа) и высокопрочные (Е =200÷250 ГПа, σ_в=2,5÷3,2 ГПа).

Борные волокна представляют собой непрерывные моноволокна, неодно­родные по структуре и анизотропные диаметром 5—200 мкм. Композиты на основе борных волокон имеют высо­кие прочностные (при растяжении и сжатии) и усталостные характеристи­ки, а также высокий модуль упру­гости.

Традиционным методом получения волокон бора является его химическое осаждение при высокой температуре (1400 К) из смеси газов ВС1₈ + Н₂ на вольфрамовую подложку в виде нитей диаметром ~12 мкм. В результате осаждения образуется сердцевина из боридов вольфрама (WВ, W₂В₆ и WB) диаметром 15—17 мкм, вокруг которой располагается слой поликристаллического бора.

Для повышения жаростойкости бор­ных волокон и защиты от воздействия некоторых металлических матриц волокна покрывают карбидом кремния осаждением из парогазовой фазы в среде аргона и водорода. Волокна бора, покрытые тонким слоем карбида кремния, называются борсиком.

Волокна бора находят широкое при­менение в производстве композитов на основе полимерной и алюминиевой матриц. Композиты на основе борных волокон и алюминиевой матрицы имеют ряд преимуществ перед аналогичными материалами на основе полимерной матрицы. Так, они могут работать при температурах до 640К и перерабатываться на обычном технологическом оборудовании, используемом в ме­таллургическом производстве.

Борные волокна обладают большой по сравнению с другими типами армирующих волокон сдвиговой жесткостью. Модуль сдвига G = 180ГПа. Борные волокна относятся к числу полупроводников, поэтому их присут­ствие в композите придает ему пони­женные тепло- и электропроводность

Металлические волокна или проволоки являются наиболее экономичными и, в ряде случаев, весьма эффектив­ными армирующими материалами. Для конструкционных композитов, эксплуатируемых при низких и уме­ренных температурах, используют стальные и бериллиевые проволочные волокна; для композитов, эксплу­атируемых при умеренных и высоких температурах, — вольфрамовые и молибденовые.

Проволочные волокна из сталей являются самыми доступными. Наи­более широко применяются для изго­товления тонкой высокопрочной про­волоки коррозионно-стойкие стали. В процессе изготовления по оптимальным техно­логическим режимам происходит практически полное превращение аустенита в мартенсит, что обеспечи­вает значительное упрочнение (в сочетании с наклепом при холодном деформировании). Кроме того, воз­можно дополнительное упрочнение в результате отпуска проволоки.

Разупрочнение стальных проволок происходит после выдержек при тем­пературах 650—670 К. Исключением является проволока из стали ВНС-9, сохраняющая свои прочностные ха­рактеристики до температур 750— 780 К.

Вольфрамовые волокна являются достаточно технологичными волокнами для композитов, эксплу­атируемых при высоких температурах. Введение в вольфрам и сплавы на его основе тугоплавких дисперсных ча­стиц (карбидных и др.) позволяет су­щественно повысить способность воль­фрамовых волокон к сохранению вы­сокотемпературной прочности и со­противления ползучести.

Для повышения длительной прочности при высоких температурах на­носят распылением различные тонкие (4—-12 мкм) барьерные покрытия (карбиды титана и гафния, окислы алюминия и гафния и др.); наиболее эффек­тивным является покрытие НfС — единственное покрытие, позволяющее избежать рекристаллизации вольфрамовых волокон при темпера­туре 1400 К в течение 1000 ч.

Молибденовые проволочные волок­на несколько уступают вольфрамо­вым по прочностным, упругим харак­теристикам и по жаропрочности.

Волокна с металлическими покрытиями. Волокна конструк­ционных композитов в ряде случаев имеют покрытия, выполняющие раз­личные функции: защиту поверхности волокон от окисления или активного химического взаимодей­ствия с поверхностью матрицы; от воздействия тепла при изготовлении изделия или при его эксплуатации (барьерные функции); повышение сма­чиваемости поверхности волокон цри формовании композита; снижение ве­роятности образования прочного соединения волокна с матрицей композита; «залечивание» поверхностных микродефектов волокон.

При выборе покрытий волокон необходимо учитывать, что способ нанесения покрытия и его рабочие параметры должны обеспечивать концентрацию атомов материала волокон в матери­але покрытия, близкую к предельной растворимости, причем необходимо, чтобы происходило ограниченное рас­творение материала волокна в материа­ле покрытия, а не наоборот. Структу­ра покрытия должна быть относительно крупнозернистой, иначе в связи с высо­кой избыточной энергией кристаллов затрудняется микропластическая де­формация материала покрытия, и его разрушение имеет, в основном, хруп­кий характер. Оптимальные толщины металлических покрытий должны быть в пределах от нескольких деся­тых долей микрона до нескольких микронов. Из-за высокой окис­лительной способности углеродных волокон на их поверхность на­носят специальные покрытия, а процессы переработки осуществ­ляют в защитной атмосфере. Борные волокна защищают от реагирования с распла­вами титана и алюминия созданием на поверхности диффузионного барьера из карбидов кремния или бора.

Помимо обеспечения прочности и монолитности конструкции матрица должна иметь необходимую пластичность и быть работо­способной в той температурной области, для которой предназначен КМ.

Для изготовления КМ, применяемых при температурах ниже 200°С, используют композиции с полимерной матрицей. Наибольшее распространение получили композиты с фенолоформальдегидной и полиамидной матрицей. В качестве матриц также используют термореактивные полимеры, в которых поперечные связи между основными цепями формируют жесткую структуру с трехмерной сеткой. Такими полимерами являются эпоксидные смолы, которые благодаря поперечным связям имеют более высокую термостойкость. По сравнению с другими полимерами, применяемыми в качестве матриц композиционных материалов, эпоксидные обладают более высокими меха­ническими свойствами в интервале тем­ператур от -60 до 180°С, что обеспечивает композитным материалам более высокие прочностные характеристики при сжатии и сдвиге. Они отверждаются при сравнительно невысоких температурах с небольшой усадкой, позволяющей изготовлять из композитных материалов на их основе крупногабаритные детали. При изготовлении деталей из композитных материалов на основе эпоксидных матриц не требуется больших давлений, что особенно важно при использовании для армирования высокопрочных хрупких волокон, так как уменьшается вероятность их повреждения. Эпоксидные связующие имеют плотность 1230— 1300 кг/м^-3, модуль упругости при растяжении 2000—4000 МПа.

Полимерная матрица образуется после отверждения (полимеризации) связующего. К связующим и матрицам предъявляется весьма широкий комплекс требований, как в процессе изготовления материала, так и при эксплуатации изделия из композита. Комплекс требований на этапе изготовления следующий: хорошая смачивающая способность и адгезия к армирующему материалу; низкая усадка при отверждении; низкая вязкость связующего при большой жизнеспособности; высокая скорость отверждения.

Комплекс требований, которые предъявляются к матрице на этапе эксплуатации, следующий: высокие физико-механические характеристики, во многом определяющие свойства композита; высокая термостойкость; стойкость к климатическим и биологическим факторам и т. д.

В качестве упрочнителей используют высокопрочные и высокомодульные углеродные и борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент, нетканых материалов.

Из-за быстрого отверждения и низкого коэффициента диффузии в неметал­лической матрице (исключение составляют органоволокниты) в композиционных материалах нет переходного слоя между компонентами. Для обеспечения высокой прочности связи между компонентами необходимо полное смачивание волокон (которое достигается, например, растеканием жидкого связующего по поверхности волокон); при этом энергия поверхности волокон должна быть больше поверхностного натяжения жидкой матрицы. Энергию поверхности волокон повышают различными методами обработки их поверхности: травлением, окислением, вискеризацией. Жидкие эпоксидные смолы обладают лучшей адгезией к наполнителям среди других полимеров.

На рис. 11.5 схематически показан способ изготовления волокнистых композитов с полимерной матрицей.

бумага

Рис. 11.5. Схема изготовления композиционного материала

Волокна сматывают с бобин, подвергают поверхностной обработке, улучшающей адгезию, протягивают в ванну, где их покрывают полимерной смолой. Смола скрепляет волокна в плоский жгут — ленту. Готовые ленты собирают в слоистый листовой материал (аналог фанеры) или же наматывают в более сложные формы. Собранный в листы или намотанный материал отверждают термообработкой. Слои можно накладывать по­очередно с разным направлением волокон и формировать в композите клетчатую структуру арматуры. Это придает материалу же­сткость. Недостатком такого композита является отсутствие попереч­ного армирования в каждом отдельном слое и между слоями. Поэтому материал может расслаиваться. К тому же появившаяся трещина в объемном образце из такого КМ легко находит путь распространения между слоями. Для устранения этих недостат­ков изготавливают тканые КМ.

Группы композиционных материалов, армированные однотипными волокнами, имеют специальные названия, данные им по названию волокна. Композиции с углеродными волокнами называются углеволокнитами, с борными — бороволокнитами, стеклянными — стекловолокнитами, органическими — органоволокнитами. Для органоволокнитов используют эластичные (лавсан, капрон, нитрон) и жесткие (аромати­ческий полиамид, винол) синтетические волокна.

Стекловолокниты имеют самую высокую прочность и удельную прочность. Их временное сопротивление повышается приблизительно в три раза по мере увеличения объемного содержания наполнителя до 80% и достигает 700 МПа при армировании непрерывными нитями. Дискретные волокна упрочняют менее эффективно. Уменьшение диаметра волокон, нанесение на них специальных покрытий, дополнительное введение в матрицу монокристаллов оксида алюминия способствуют повышению временного сопротивления стекловолокнитов до 2000-2400 МПа. Они обладают хладостойкостью (до -196°С) хорошей теплостойкостью. Их используют для длительной работы в диапазоне температур 200-400°С. Кроме того, благодаря демпфирующей способ­ности они используются в условиях ви­брационных нагрузок.

Достоинствами стекловолокнитов являются недефицитность и низкая стоимость упрочнителя, недостатком - сравнительно низкий модуль упругости. Однако по удельной жесткости они пре­восходят легированные стали и сплавы алюминия, магния и титана (2500-2800 км). Стеклопластики применяют для изготовления корпусов лодок, автомобилей, некоторых бытовых приборов.

Карбоволокниты обладают низкими теплопроводностью и электрической проводимостью, но все же их теплопро­водность в 1,5-2 раза выше, чем у сте­клопластиков. Они имеют малый и стабильный коэффициент трения и обладают хорошей износостойкостью. Температурный коэффициент линейного расширения карбоволокнитов в интер­вале 20-120°С близок к нулю. К недостаткам карбоволокнитов относят низкую прочность при сжатии и межслойном сдвиге. Специальная обработка поверхности волокон (окисление, травление, вискеризация) повы­шает эти характеристики.

Бороволокниты характеризуются вы­сокими пределами прочности при растя­жении, сжатии, сдвиге, твердостью и модулем упругости. Однако свойства бороволокнитов зависят не только от свойств волокон объемного содержания, но и в большей степени от их геометрии и диаметра. Так, ячеистая структура волокна обеспечивает высокую прочность при сдвиге и срезе. Большой диаметр волокон и высокий модуль упругости придают устойчивость боропластику и способствуют повышению прочности при сжатии. Вместе с тем большой диаметр волокон вызывает необходимость увеличения эффективной длины волокон, повышает чувствительность к разрушению отдельных волокон, уменьшает временное сопротивление по сравнению с тонковолокнистым материалом.

Органоволокниты обладают высокой удельной прочностью в сочетании с хорошими пластичностью и ударной вязкостью. Характерной особенностью органоволокнитов является единая полимерная природа матриц и армирующих волокон. Матрица и наполнители имеют близкие значения температурных коэффициентов линейного расширения, им свойственны химическое взаимодействие и прочная связь. Органоволокниты имеют бездефектную и практически беспористую структуру (пористость 1-3%), хорошую стабильность механических свойств. Слабым местом при нагружении материала является не столько граница раздела между волокном и матрицей, сколько межмолекулярные связи в самом волокне.

Структура волокна неоднородна состоит из ориентированных макромолекул и их совокупности – фибрилл. Большая степень их ориентации в направлении оси волокон обеспечивает волокнам высокие прочность и жесткость при растяжении в этом направлении. Однако неоднородность структуры волокон обусловливает различные напряженные состояния в отдельных ее элементах. Между ними возникают напряжения сдвига, которые приводят сначала к расщеплению волокна вдоль оси, а затем - к разрушению. Такой механизм разрыва волокон вызывает большую работу разрушения композиционного материала в целом. Это характери­зует высокую прочность при статическом и динамическом нагружении. Органоволокниты, особенно с эластичным наполнителем, имеют очень высокую ударную вязкость (600-700 кДж/м²). Слабые межмолекулярные связи являются причиной низкой прочности и жесткости при сжатии. При этом предельная деформация при сжатии определяется не разрушением волокон, а их искривлением. Дополнительное ар­мирование органоволокнитов волокнами, затрудняющими это искривление, например, углеродными или борными, повышает прочность при сжатии.

Композиционные материалы на металлической основе

Композитные материалы с металлической матрицей. Для работы при более высоких температурах применяют металлические матрицы.

Металлические КМ обладают рядом преимуществ перед полимерными. Помимо более высокой рабочей температуры, они ха­рактеризуются лучшей изотропией и большей стабильностью свойств в процессе эксплуатации, более высокой эрозионной стойкостью.

Важным преимуществом металлических КМ является более высокая технологичность процесса изготовления, формовки, термообработки, формирования соединений и покрытий.

Преимуществом ком­позиционных материалов на металлической основе являются более высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы. Это прежде всего временное сопротивление и модуль упругости при растяжении в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон, прочность при сжатии и изгибе, пластичность, вязкость разрушения. Кроме того, композиционные материалы с металлической матрицей сохраняют свои прочностные характеристики до более высоких температур, чем мате­риалы с неметаллической основой. Они более влагостойки, негорючи, обладают электрической проводимостью. Высокая электропроводность металлических КМ хорошо за­щищает их от электромагнитного излучения, молнии, снижает опасность статического электричества. Высокая теплопроводность металлических КМ предохраняет от локальных перегревов, что особенно важно для таких изделий, как наконечники ракет и ведущие кромки крыльев.

Наиболее перспективными материала­ми для матриц металлических компози­ционных материалов являются ме­таллы, обладающие небольшой плотностью (А1, Мg, Тi), и сплавы на их основе, а также никель - широко приме­няемый в настоящее время в качестве основного компонента жаропрочных сплавов.

Композиты получают разными методами. К ним относятся пропитка пучка волокон жидкими расплавами алюминия и магния, плазменное напыление, применение методов горячего прессования иногда с последующей гидроэкструзией или прокаткой заготовок. При армировании непрерывными волокнами композиций типа "сэндвич", состоящих из чередующихся слоев алюминиевой фольги и волокон, применяют прокатку, горячее прессование, сварку взрывом, диффузионную сварку. Отливку прутков и труб, армированных высокопрочными волокнами, получают из жидкометаллической фазы. Пучок волокон непрерывно проходит через ванну с расплавом и пропитывается под давлением жидким алюминием, или магнием. При выходе из пропиточной ванны волокна соединяются и пропускаются через фильеру, формирующую пруток или трубу. Этот метод обеспечивает мак­симальное наполнение композита волокнами (до 85 %), их однородное распределение в поперечном сечении и непрерывность процесса.

Материалы с алюминиевой матрицей в основном армируют стальной проволокой (КАС), борным волокном (ВКА) и углеродным волокном (ВКУ). В качестве матрицы используют как технический алюминий (например, АД1), так и сплавы (АМг6, В95, Д20 и др.).

Использование в качестве матрицы сплава (например, В95), упрочняемого термообработкой (закалка и старение), дает дополнительный эффект упрочнения композиции. Однако в направлении оси волокон он невелик, тогда как в поперечном направлении, где свойства определяются в основном свойствами матрицы, достигает 50%.

Наиболее дешевым, достаточно эф­фективным и доступным армирующим материалом является высокопрочная стальная проволока. Так, армирование технического алюминия проволокой из стали ВНС9 диаметром 0,15 мм (σ_в = 3600 МПа) увеличивает его прочность в 10-12 раз при объемном содержании волокна 25% и в 14-15 раз при увеличении содержания до 40%, после чего временное сопротивление достигает соответственно 1000-1200 и 1450 МПа. Если для армирования ис­пользовать проволоку меньшего диаметра, т. е. большей прочности (σ_в = 4200 МПа), временное сопротивление композиционного материала увеличится до 1750 МПа. Таким образом, алюминий, армированный стальной проволокой (25-40%), по основным свойствам значительно превосходит даже высокопрочные алюминиевые сплавы и выхо­дит на уровень соответствующих свойств титановых сплавов. При этом плотность композиций находится в пределах 3900-4800 кг/м³.

Упрочнение алюминия и его сплавов более дорогими волокнами В, С, А1₂О_э повышает стоимость композиционных материалов, но при этом эффективнее улучшаются некоторые свойства: напри­мер, при армировании борными волок­нами модуль упругости увеличивается а 3-4 раза, углеродные волокна способ­ствуют снижению плотности. Бор мало разупрочняется с повышением температуры, поэтому композиции, армированные борными волокнами, сохраняют высокую прочность до 400-500 °С Промышленное применение нашел материал, содержащий 50 об.% непрерывных высокопрочных и высокомодульных волокон бора (ВКА-1). По модулю упругости и временному сопротивлению в интервале температур 20-500°С он превосходит все стандартные алюминиевые сплавы, в том числе высокопрочные (В95), и сплавы, специально предназначенные для работы при высоких температурах (АК4—1). Высокая демпфирующая спо­собность материала обеспечивает ви­бропрочность изготовленных из него конструкций. Плотность сплава равна 2650 кг/м³, а удельная про­чность-45 км. Это значительно выше, чем у высокопрочных сталей и тита­новых сплавов.

Расчеты показали, что замена сплава В95 на титановый сплав при изготовле­нии лонжерона крыла самолета с под­крепляющими элементами из ВКА-1 увеличивает его жесткость на 45% и дает экономию в массе около 42%.

Материалы с магниевой матрицей (ВКМ) характеризуются меньшей плот­ностью (1800-2200 кг/м³), чем с алюми­ниевой, при примерно такой же высокой прочности 1000-1200 МПа (поэтому более высокой удельной прочностью). Деформируемые магниевые сплавы (МА2 и др), армированные борным волокном (50 об.%), имеют удельную прочность > 50 км. Хорошая совместимость магния и его сплавов с борным волокном, с одной стороны, позволяет изготовлять детали методом пропитки практически без последующей механической обработки, с другой - обеспечивает большой ресурс работы деталей при повышенных температурах. Удельная прочность этих материалов повышается благодаря применению в качестве матрицы сплавов, легированных легким литием. Однако, как известно, магний и его сплавы обладают низкой технологической пластичностью, склонностью к образованию рыхлой оксидной пленки.

При создании композиционных материалов на титановой основе встречаются трудности, вызванные необходимостью нагрева до высоких температур. При высоких температурах титановая матрица становится очень активной; она приобретает способность к газопоглощению, взаимодействию с многими упрочнителями: бором, карбидом кремния, оксидом алюминия и др. В результате образуются реакционные зоны, снижается прочность как самих волокон, так и композиционных материалов в целом. И, кроме того, высокие температуры приводят к рекристаллизации и разупрочнению многих армирующих материалов, что снижает эффект упроч­нения от армирования. Поэтому для упрочнения материалов с титановой ма­трицей используют проволоку из бериллия и керамических волокон тугоплав­ких оксидов (А1₂0₃), карбидов (SiС), а также тугоплавких металлов, обла­дающих большим модулем упругости и высокой температурой рекристаллизации (Мо, W). Причем целью армирова­ния является в основном не повышение и без того высокой удельной прочности, а увеличение модуля упругости и повышение рабочих температур.

Армирование сплава ВТ6 молибденовой проволокой способствует сохранению высоких значений модуля упругости до 800 °С. Его величина при этой температуре соответствует 124 ГПа, т. е. снижается на 33%, тогда как временное сопротивление разрыву при этом уменьшается до 420МПа, т. е. более чем в 3 раза.

Основная задача при создании композиционных материалов на никелевой ос­нове (ВКН) заключается в повышении рабочих температур выше 1000 °С. И одним из лучших металлических упрочнителей, способных обеспечить хорошие показатели прочности при столь высоких температурах, является вольфрамовая проволока. Введение вольфрамовой проволоки в количестве от 40 до 70 об.% в сплав никеля с хромом обеспечивает прочность при 1100°С в течение 100 ч соответственно 130 и 250 МПа, тогда как лучший неармированный никелевый сплав, предназна­ченный для работы в аналогичных усло­виях, имеет прочность 75 МПа. Использование для армирования проволоки из сплавов вольфрама с рением или гафнием увеличивает этот показатель на 30-50%.

Композиционные материалы применяют во многих отраслях промышленности и прежде всего в авиации, ракет­ной и космической технике, где особенно большое значение имеет снижение массы конструкций при одновременном повышении прочности и жесткости. Благодаря высоким удельным характеристикам прочности и жесткости их используют при изготовлении горизонтальных стабилизаторов и закрылков самолетов, лопастей винтов и контейнеров вертолетов, корпусов и камер сгорания реактивных двигателей и др. Использование композиционных материалов в конструкциях летательных аппаратов уменьшило их массу на 30-40%, увеличило полезную нагрузку без снижения скорости и дальности полета.

В настоящее время композиционные материалы применяют в энергетическом турбостроении (рабочие и сопловые ло­патки турбины), автомобилестроении (кузова автомобилей и рефрижераторов, детали двигателей), машиностроении (корпуса и детали машин), химической промышленности (автоклавы, цистерны, емкости), судостроении, (корпуса лодок, катеров, гребные винты) и др.

Особые свойства композиционных материалов позволяют использовать их в качестве электроизоляционных материалов (органоволокниты), радиопрозрачных обтекателей (стекловолокниты), подшипников скольжения (карбоволокниты) и других деталей.

Композитные материалы с керамической матрицей применяют для наиболее высоких рабочих температур. Основной недостаток керамической матрицы - отсутствие пластичности - в некоторой степени компенсируется армирующими волокнами, тормозящими распространение трещин в керамике.

Углерод-углеродный композит (УУКМ), выдерживает нагрев до 2500°С. При его создании используется в качестве матричного материала аморфный углерод, а в качестве армирующего материала - волокна из кристаллического углерода (графита). Углеродная матрица, подобная по физико-химическим свойствам углеродному волокну, обеспечивает термостойкость. Такой композит перспективен для космонавтики и заатмосферной авиации. Недостаток углеродной матрицы состоит в возможном окислении и абляции. Для предотвращения этих явлений композит покрывают тонким слоем карбида кремния.

Наиболее широкое применение нашли два способа получения углерод-углеродных композитов:

1. карбонизация полимерной матрицы заранее сформованной углепластиковой заготовки путем высокотемпературной термообработки в неокисляющей среде;

2. осаждение из газовой фазы пироуглерода, образующегося при термическом разложении углеводородов в порах углеволокнистой подложки.

Оба эти способа имеют свои достоин­ства и недостатки. При создании УУКМ их часто комбинируют для придания композиту необходимых свойств.

Карбонизация полимерной матрицы. Процесс карбонизации представляет собой термообработку изделия из углепластика до температуры 1073 К в неокисляющей среде (инертный газ, угольная засыпка и т.д.). Цель термообработки — перевод связующего в кокс. В процессе карбонизации происходит термодеструкция матрицы, сопровождающаяся потерей массы, усадкой, образованием большого числа пор и снижением вследствие этого физико-механических свойств композита.

Карбонизация проводится чаще всего в ретортных печах сопротивления. Реторта, изготовленная из жаропрочного сплава, предохраняет изделие от окисления кислородом воздуха, а нагревательные элементы и изоляцию — от попадания на них летучих коррозионно-активных продуктов пиролиза связующего и обеспечивает равномерность обогрева реакционного объема печи.

Механизм и кинетика карбонизации определяются соотношением скоростей диссоциации химических связей и рекомбинации образовавшихся радикалов. Процесс сопровождается удалением испаряющихся смолистых соединений и газообразных продуктов и образованием твердого кокса, обогащающегося атомами углерода. Поэтому в процессе карбонизации ключевым моментом является выбор температурно-временного режима, который должен обеспечивать максимальное образование коксового остатка из свя­зующего, поскольку механическая прочность карбонизованного композита зависит, помимо прочего, от ко­личества образовавшегося кокса.

Чем больше габариты изделия, тем продолжительнее должен быть процесс карбонизации. Скорость подъема температуры при карбонизации — от нескольких градусов до нескольких десятков градусов в час, продолжительность процесса карбонизации 300 ч и более. Карбонизация заканчивается обычно в интервале температур 1073—1773 К, соответствующих температурному интервалу перехода углерода в графит.

Свойства УУКМ в значительной мере зависят от вида исходного связующего, в качестве которого применяются синтетические органические смолы, дающие высокий коксовый остаток. Чаще всего для этой цели применяют фенолформальдегидные смолы вследствие их технологичности, доступности низкой стоимости, образовавшийся в этом процессе кокс обладает высокой прочностью.

Фенолформальдегидным смолам свой­ственны определенные недостатки. Вследствие поликонденсационного характера их отверждения и выделения при этом летучих соединений трудно получить однородную плотную структуру. Величина усадки при карбонизации фенолформальдегидных связующих больше, чем для других типов связующих, применяемых при производстве УУКМ, что приводит к возникновению внутренних напряжений в карбонизованном композите и снижению его физико-механических свойств.

Более плотный кокс дают фурановые связующие. Усадка их при карбонизации меньше, а прочность кокса выше, чем у фенолформальдегидных смол. Поэтому, несмотря на более сложный цикл отверждения, связующие на основе фурфурола, фурфурилиденацетонов, фурилового спирта также приме­няются при производстве УУКМ.

Весьма перспективны для получения углеродной матрицы каменноугольные и нефтяные пеки вследствие большого содержания углерода (до 92—95%) и высокого коксового числа. Преимуществами пеков перед другими связующими являются доступность и низкая стоимость, исключение растворителя из технологического процесса, хорошая графитируемость кокса и его высокая плотность. К недостаткам пеков можно отнести образование значительной пористости, деформацию изделия, наличие в их составе канцерогенных соединений, что требует дополнительных мер безопасности.

Вследствие выделения летучих соединений при термодеструкции смолы в карбонизованном пластике возникает значительная пористость, снижающая физико-механические свойства УУКМ. Поэтому стадией карбонизации угле­пластика завершается процесс получения лишь пористых материалов, для которых не требуется высокая проч­ность, например, низкоплотных УУКМ теплоизоляционного назначения. Обычно для устранения пористости и повышения плотности карбонизованный материал вновь пропитывается связую­щим и карбонизуется (этот цикл может повторяться неоднократно). Повторная пропитка производится в автокла­вах в режиме «вакуум—давление», т. е. сначала заготовка нагревается в ва­кууме, после чего подается связующее и создается избыточное давление до 0,6—1,0 МПа. При пропитке исполь­зуются растворы и расплавы связую­щих, причем пористость композита с каждым циклом уменьшается, по­этому необходимо использовать связующие с пониженной вязкостью. Сте­пень уплотнения при повторной про­питке зависит от типа связующего, коксового числа, пористости изделия и степени заполнения пор. С ростом плотности при повторной пропитке повышается и прочность материала. Этим методом можно получать УУКМ с плотностью до 1800 кг/м³ и выше. Метод карбонизации углепластика сравнительно прост, он не требует сложной аппаратуры, обеспечивает хорошую воспроизводимость свойств ма­териала получаемых изделий. Однако необходимость многократного проведе­ния операций уплотнения значительно удлиняет и удорожает процесс получения изделий из УУКМ, что является серьезным недостатком указанного ме­тода.

При получении УУКМ по способу осаждения пироуглерода из газовой фазы газообразный углеводород (метан, бензол, ацетилен и т. д.) или смесь углеводорода и разбавляющего газа (инертный газ или водород) диффундирует через углеволокнистый пористый каркас, где под действием высокой температуры происходит разложение угле­водорода на нагретой поверхности волокна. Осаждающийся пироуглерод постепенно создает соединительные мостики между волокнами. Кинетика осаждения и структура получаемого пироуглерода зависят от многих факторов: температуры, скорости потока газа, давления, реакционного объема и др. Свойства получаемых композитов определяются также типом и содержа­нием волокна, схемой армирования.Процесс осаждения проводится в вакууме или под давлением в индук­ционных печах, а также в печах со­противления.

Разработано несколько технологических методов получения пироуглеродной матрицы.

При изотермическом методе заготовка находится в равномерно обогреваемой камере. Равномерность обогрева в индукционной печи обеспечи­вается с помощью тепловыделяющего элемента — сусцептора, изготавливаемого из графита. Углеводородный газ подается через днище печи и диффундирует через реакционный объем и заготовку; газообразные продукты ре­акции удаляются через выходное отверстие в крышке печи.

Процесс производится обычно при температуре 1173—1423 К и давлении 130—2000 кПа. Уменьшение температуры приводит к снижению скорости осаждения и чрезмерному удлинению продолжительности процесса. Увеличение температуры ускоряет осаждение пироуглерода, но при этом газ не успевает диффундировать в объем заготовки и происходит поверхностное наслоение пироуглерода. Продолжительность процесса достигает сотен часов.

Изотермический метод обычно применяется для изготовления тонкостен­ных деталей, поскольку в этом случае заполняются преимущественно поры, находящиеся у поверхности изделия.

Для объемного насыщения пор и получения толстостенных изделий при­меняется неизотермический метод, за­ключающийся в создании в заготовке температурного градиента путем помещения ее на обогреваемую оправку или сердечник или прямым разогревом ее током. Углеводородный газ подается со стороны, имеющей более низкую температуру. Давление в печи обычно равно атмосферному. В результате осаждение пироуглерода происходит в наиболее горячей зоне. Охлаждающее действие газа, протекающего над по­верхностью с высокой скоростью, является основным способом достижения температурного градиента.

Повышение плотности и теплопровод­ности композита приводит к перемеще­нию температурного фронта осажде­ния, что обеспечивает в конечном итоге объемное уплотнение материала и получение изделий с высокой плотностью (1700—1800 кг/м³).

Для изотермического метода получения УУКМ с пироуглеродной матрицей характерны следующие достоинства: хорошая воспроизводимость свойств; простота технического оформления; высокая плотность и хорошая графитируемость матрицы; возможность обработки одновременно нескольких изделий. К недостаткам относятся: малая скорость осаждения; поверхностное осаждение пироуглерода; плохое заполнение крупных пор.

Неизотермический метод имеет такие достоинства: большую скорость осаждения; возможность заполнения крупных пор; объемное уплотнение изделия.

Его недостатки заключаются в следующем: сложное аппаратурное оформление; обрабатывается лишь одно изделие; недостаточная плотность и графитируемость матрицы; образование микротрещин.

Высокотемпературная термо­обработка (графитация) УУКМ. Струк­тура карбонизованных пластиков и композитов с пироуглеродной матри­цей после уплотнения из газовой фазы несовершенна. Межслоевое расстоя­ние d₀₀₂, характеризующее степень упорядоченности углеродной матрицы, относительно велико — свыше 3,44·10⁴ мкм, а размеры кристаллов сравнительно малы — обычно не более 5·10^-3 мкм, что характерно для двух­мерного упорядочения базисных слоев углерода. Кроме того, в ходе процесса получения в них могут возникать внутренние напряжения, способные привести к деформациям и искажениям структуры изделия при эксплуатации этих материалов при температуре выше температуры карбонизации или осаж­дения пироуглерода. Поэтому при необходимости получения более термо­стабильного материала проводят его высокотемпературную обработку. Ко­нечная температура термообработки определяется условиями эксплуатации, но при температуре свыше 3273 °К лимитируется сублимацией мате­риала. Термо­обработка проводят в индукционных печах или печах сопротивления в неокисляющей среде (графитовая засыпка, вакуум, инертный газ). Изменение свойств углерод-углеродных материалов в процессе высокотемпературной термообработки опре­деляется многими факторами: типом наполнителя и матрицы, конечной температурой и продолжительностью термообработки, видом среды и ее давлением и еще другими факторами. Длительность процессов высоко­температурной термообработки значи­тельно меньше, чем в случае карбони­зации или осаждения пироуглерода, и составляет обычно несколько часов. При высокотемпературной термообра­ботке карбонизованных пластиков происходят необратимые деформации изделия, постепенное «залечивание» де­фектов. Для хорошо графитируемых материалов на основе пеков при тем­пературах свыше 2473 °К наблюдается интенсивный рост трехмерноупорядоченных углеродных кристаллитов вплоть до перехода к графитовой струк­туре

Контрольные вопросы:

1. Какую функцию выполняет матрица в композиционных материалах?

2. В чем заключается роль наполнителей?

3. Каков механизм упрочнения в дисперсноупрочненных композитах?

4. С чем связано появление в волокнистых композитах свойств, которыми изолированные компоненты не обладают?

5. Каков механизм упрочнения в волокнистых композитах?

6. Какие волокна обладают ярко выраженной анизотрапией свойств?

7. Какой процесс называется «вискеризацией»?

8. Выберите композитный материал для подщипников скольжения.

9. Какой композитный материал можно использовать в качестве электроизоляционного материала?

10. Назовите области применения композитов в судостроении.