Материаловедение и технология конструкционных материалов

Никель (< 0,5 %) и кальций (< 1 %) вызывают увеличение проч­ ности при повышенных температурах. Однако самыми высокими показателями обладает бериллий с повышенным содержанием ВеО (до 4 %), полученный методом порошковой металлургии.

Сохраняют прочность до очень высокой температуры интерметаллидные соединения бериллия с переходными металлами (Та, Nb, Zr и др.) — так называемые бериллиды. Они имеют вы­ сокую температуру плавления (-2000 °С), высокую твердость (500...1000 HV), жесткость (£ = 300...350 ГПа) при сравни­ тельно низкой плотности (-2,7...5 г/см3). Однако бериллиды очень хрупкие. Из них методами порошковой металлургии изго­ тавливают мелкие несложные по форме детали для систем управ­ ления и гироскопов.

8 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

■ .......

Классификация композиционных материалов

Композиционными материалами (КМ) называют материа­ лы, созданные из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных ярко выраженной гра­ ницей. Они обладают новыми свойствами, отличающимися от свойств компонентов. Свойства, размеры, форма и распределе­ ние компонентов в КМ проектируются заранее и формируются в процессе изготовления. Компонент, непрерывный в объеме КМ, называют матрицей, прерывистый — армирующим элементом.

КМ подразделяют на волокнистые, слоистые и упрочненные дисперсными частицами (рис. 8.1). Волокнистые КМ в качестве

а

хх у

Рис. 8.1. Схема расположения упрочнителей в композиционных

материалах:

а — волокнистых; б — слоистых; в — дисперсноупрочненных

упрочнителей содержат волокна, диаметр которых намного меньше размеров матрицы, а длина соответствует длине изде­ лия. Слоистые КМ содержат пластины, длина и ширина кото­ рых соответствует размерам изделия. Дисперсноупрочненные КМ содержат частицы, значительно меньшие по размеру, чем изделие.

В зависимости от геометрии армирующих элементов и их взаимного расположения свойства КМ могут быть одинаковыми во всех направлениях — изотропными (дисперсноупрочненные КМ) и различными — анизотропными (КМ, упрочненные непрерыв­ ными волокнами, ориентированными в определенных направ­ лениях).

Волокна — наиболее часто используемый армирующий эле­ мент — несут внешнюю нагрузку. Они должны обладать низкой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, хими­ ческой стойкостью и технологичностью изготовления, минималь­ ной растворимостью в матрице, отсутствием фазовых превраще­ ний, нетоксичностью.

Свойства волокон должны быть стабильны в условиях экс­ плуатации. В табл. 8.1 приведены свойства некоторых упроч­ няющих волокон.

ливают многослойные ленты, листы, стержни, трубы, профили конструкционного назначения, лопатки турбин, детали для авиа­ ции и космической техники.

Стекловолокниты с непрерывными волокнами, расположен­ ными в одном направлении, используют для изготовления труб и различных профилей. Стекловолокниты, содержащие хаотично расположенные в плоскости короткие волокна, применяют в про­ изводстве корпусов лодок, автомобилей, при облицовке бытовых железобетонных конструкций, силовых деталей электрооборудо­ вания. Стекловолокниты с перекрестным армированием (волок­ на расположены по различным направлениям) используют для изготовления плит, труб, сосудов высокого давления, топливных баков, пресс-форм, изоляторов для электродвигателей и транс­ форматоров и других изделий.

Углеволокниты (углепластики) по удельной прочности и же­ сткости превосходят стекловолокниты, сталь, алюминиевые

ититановые сплавы, имеют низкий стабильный коэффициент трения, высокую износостойкость. Высокая электропроводность углепластиков используется при изготовлении электрообогре­ вающих изделий. Углепластики, боропластики, бороволокниты

иорговолокниты применяют в авиации, космонавтике, ядерной технике.

Жаропрочные КМ изготавливают на основе сплавов никеля и кобальта, упрочненных керамическими (SiC, Si3Ni4, А1203) и уг­ леродными волокнами. КМ применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей, камер сго­ рания, тепловых экранов, жаростойких труб и т.д.

Свойства некоторых волокнистых КМ с металлической мат­ рицей представлены в табл. 8.2.

В качестве полимерных матриц применяют отвержденные эпоксидные, полиамидные, феноло-формальдегидные и другие смолы. КМ на основе полимеров отличаются от КМ на металли­ ческой основе хорошей технологичностью, низкой плотностью, а в ряде случаев более высокими удельной прочностью и жест­ костью. Кроме того, КМ на неметаллической основе имеют высокую стойкость к коррозии, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными свойствами. Однако для большинства КМ с неметаллической мат­ рицей характерны низкая прочность связи волокна с матрицей,

резкая потеря прочности при повышении температуры выше 100...200 °С, плохая свариваемость.

Унрочнителями служат углеродные, борные, стеклянные

иорганические волокна в виде нитей, жгутов, лент.

Вкачестве керамических матриц используют силикатные (Si02), алюмосиликатные (Al20 3-S i0 2), алюмоборосиликатные (А120 3—В20 3—Si02) материалы, тугоплавкие оксиды алюминия (А120 3), циркония (Zr02), бериллия (ВеО), нитрид кремния (Si3N.,), бориды титана (TiB2) и циркония (ZrB2), карбиды кремния (SiC)

ититана (TiC). Композиционные материалы с керамической матрицей обладают высокими температурой плавления, стой­ костью к окислению, термоударам и вибрации, прочностью при сжатии. Керамические КМ на основе карбидов и оксидов с добавками металлического порошка (< 50 об. %) называются керметами. Помимо порошков для армирования керамических КМ используют металлическую проволоку из вольфрама, молиб­ дена, ниобия, жаропрочной стали, а также неметаллические во­ локна (керамические и углеродные). Использование металличе­ ской проволоки создает пластичный каркас, предохраняющий КМ от разрушения при растрескивании хрупкой керамической матрицы. Недостатком керамических КМ, армированных метал­ лическими волокнами, является низкая жаростойкость. Высо­ кой жаростойкостью обладают КМ с матрицей из тугоплавких оксидов (можно использовать при температуре до 1000 °С), боридов

инитридов (до 2000 °С), карбидов (свыше 2000 °С). При армиро­ вании керамических КМ волокнами карбида кремния достига­ ется высокая прочность связи между ними и матрицей в сочета­ нии со стойкостью к окислению при высоких температурах, что позволяет использовать их для изготовления тяжелонагруженных деталей (высокотемпературные подшипники, уплотнения, рабочие лопатки газотурбинных двигателей и др.).

По способу и згот о вл ен и я КМ подразделяют на полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения — напыления и комбинированными методами. К жидкофазным методам относят пропитку арматуры полимером или жидким металлом, а также направленную кристаллизацию. К твердо­ фазным методам — прессование, прокатку, экструзию, ковку, сварку взрывом, волочение, диффузионную сварку, при которых компоненты формируются в КМ, где в качестве матрицы исполь­

зуют порошки или тонкие листы (фольги). При получении КМ осаждением — напылением матрица наносится на волокна из раствора солей, парогазовой фазы, плазмы. Комбинированные методы предусматривают совмещение нескольких методов. На­ пример, пропитку или плазменное распыление используют в ка­ честве предварительной операции, а прокатку, прессование или диффузионную сварку — окончательной.

Получение композиционных материалов ЩЩ жидкофазными методами

Выбор метода получения КМ основан на анализе межфазного взаимодействия компонентов, их химической и механической совместимости. Химическая совместимость — это способность компонентов в условиях эксплуатации не образовывать хрупких химических соединений, которые разрушаются под действием внешней нагрузки. Металлы в КМ могут образовывать твердые растворы, механические смеси или хрупкие химические соеди­ нения. Если в зоне соединения компонентов КМ не образуется хрупких интерметаллидных соединений, а формируется пла­ стичный переходный слой, то такой КМ обладает высокими экс­ плуатационными свойствами. Прочность связи компонентов определяется их химической и механической совместимостью

по модулям упругости, коэффициентам термического расшире­ ния, пределам прочности и показателям пластичности.

Пропиткой специально укладываемых волокон расплавлен­ ным металлом или термореактивными смолами получают из­ делия любой конфигурации без дополнительной механической обработки (рис. 8.3). Прочность связи компонентов определя­ ется смачиваемостью поверхности армирующего элемента жид­ кой матрицей. Пропитку проводят при нормальном давлении, вакуумным всасыванием, под давлением и комбинированным методом.

Наиболее перспективный метод — это непрерывная пропитка волокон расплавленным металлом или термореактивными смо­ лами с формованием профиля протягиванием КМ через фильеру (рис. 8.4).

Рис. 8.3. Схема устройства для укладки волокон:

I — непрерывные волокна; 2 — бункер для подачи пластмассы; 3 — фор­ мующий ролик; 4 — нагреваемая поверхность; 5 — направляющие пазы

Рис. 8.4. Схема изготовления пропиткой волокнистых КМ

с полимерной матрицей:

1 — предварительная сушка волокон; 2 — ванна с термореактивной смолой; 3 — формующие фильеры; 4 — полимеризатор; 5 ,7 — печь; в — формую­ щая фильера; 8 — охладитель; 9 — тянущее устройство; 10 — устройство

для резки на мерные длины

Технология получения волокнистых полимерных КМ вклю­ чает следующие операции:

□предварительная сушка волокон для удаления гидратной влаги и активации поверхности;

□пропитка волокон термореактивной смолой;

□формование волокна с покрытием за счет протягивания че­ рез фильеры с одновременной полимеризацией покрытия;

□термообработка волокна композита в печи;

□формование окончательного диаметра протягиванием через фильеру;

□охлаждение в охладителе;

□резка на мерные длины.

Полученный волокнистый полимерный КМ является исход­ ным сырьем для изготовления из него проката или штампован­ ных изделий.

Использование дискретных (коротких) волокон позволяет изготавливать КМ во вращающейся форме, К волокнам для по­ вышения смачиваемости расплавом прикладывают ультразву­ ковые колебания. Однонаправленная структура формируется с помощью электромагнитного поля.

Подучение композиционны х материалов твердофазными методами

В твердофазных методах получения КМ материал матрицы имеет вид порошка, фольги, листов, ленты; волокна могут быть непрерывные, дискретные, в виде ткани и жгутов. Для получе­ ния КМ используют высокопроизводительные процессы обра­ ботки давлением: прокатку (теплую или горячую), прессование в пресс-формах с обогреваемыми плитами, динамическое горя­ чее прессование, горячее прессование, экструзию, взрывное компактирование, диффузионную сварку. В качестве исходных заготовок для обработки в твердой фазе могут использоваться также КМ, полученные литьем или методом осаждения — напы­ ления.

Кроме волокон в качестве армирующего элемента использу­ ют также нитевидные кристаллы, получаемые осаждением из газрвой фазы, выращиванием в электрическом поле, кристал­ лизацией из растворов. Волокна изготавливают с аморфной (стекловолокно, кремниевые волокна), композиционной (бор­ ные) и кристаллической (углеродные) структурой. Борные во­ локна получают осаждением бора на вольфрамовую проволоку (диаметром 22,5 мкм) в виде покрытия; углеродные — карбони­