Композиционные материалы. Учебное пособие

параметрами исходных компонентов. Возникновение даже относительно редкой сетки межфазных химических связей кардинально изменяет весь комплекс характеристик адгезионного соединения. В случае превышения энергией связи между адгезивом и субстратом энергии водородных связей, деформация адгезионных систем подчиняется закономерностям когезионного (внутрифазного)

происхождения. В результате наблюдается своеобразный парадокс, когда существующие теории адгезии и смачивания фактически сводятся к описанию образования систем с достаточно слабыми (ван-дер-ваальсовыми и водородными)

связями, а на практике стремятся к генерированию максимально прочных

(ковалентных и ионных) межфазных связей. Поэтому в настоящее время остаются актуальными такие научные задачи, как

•расчет чувствительных к адгезионному взаимодействию параметров по отдельным физическим характеристикам компонентов;

•оценка влияния этих параметров и условий образования адгезионных соединений на величины площади межфазного контакта и энергии межфазного взаимодействия с целью их оптимизации и установления кинетики процесса;

•определение прочности соединений в зависимости от природы адгезивов и субстратов;

•выбор оптимальных объектов, условий образования и конструкций адгезионных соединений, отвечающих эксплуатационным характеристикам конкретных изделий.

Реперные точки раздела:

1.Какие основные свойства характеризуют КМ?

2.Как связаны упругие свойства КМ со структурой матрицы?

3.Факторы, влияющие на прочность КМ.

4.От чего зависит величина адгезии твердых тел?

5.Что является следствием адгезии?

41

4 Технология получения композиционных материалов

4.1 Общая характеристика методов получения композитов с

металлической матрицей

Методы получения и обработки композиционных материалов с металлической матрицей более детально можно подразделить на:

твердофазные;

жидкофазные;

химические и электрохимические;

газо- и парофазные.

Металлические композиционные материалы изготавливают твердофазными и жидкофазными методами, методами осаждения-напыления, возможны также комбинированные методы.

Для твердофазных методов характерно использование матрицы в твердом состоянии, преимущественно в виде порошка, фольги или компактного металла.

Жидкофазные методы предусматривают получение металлических композитов путем совмещения армирующих волокон с расплавленной матрицей. К

ним относят методы пропитки волокон жидкими матричными сплавами и метод направленной кристаллизации.

При получении металлических композитов методами осаждения - напыления матричный металл наносят на волокна из растворов солей или других химических соединений, из парогазовой фазы, с помощью плазмы и т.д.

Комбинированные методы представляют собой последовательное или параллельное применение первых трех методов. Волокна в большинстве случаев вводят в металлический композит в твердофазном состоянии за исключением эвтектических композиционных материалов, в которых армирующая фаза (волокна и пластины) образуется из расплава в процессе направленной кристаллизации эвтектик.

42

Выбор метода получения композита с металлической матрицей зависит от вида исходных компонентов, возможности введения армирующей фазы без повреждения, обеспечения прочной связи между компонентами, равномерного распределения армирующих элементов в матрице. Учет этих факторов обеспечивает максимальную реализацию свойств арматуры и матрицы.

4.1.1 Метод твердофазного совмещения матрицы и волокон

Обработка давлением является одним из наиболее часто применяемых методов изготовления МКМ, состоящих из деформируемых матричных металлов и сплавов.

Если в качестве арматуры выбраны волокна со значительным запасом пластичности, то уплотнять МКМ можно прокаткой, импульсным прессованием с помощью взрыва или ударной нагрузки, гидроэкструзией и т.п.

Вслучае армирования металлов хрупкими или малопластичными волокнами чаще всего применяют процессы, при которых степень пластической деформации невысока, например, диффузионную сварку или прокатку с малыми обжатиями.

Взависимости от формы полуфабриката используют различные способы сборки заготовок, подвергаемых пластической деформации.

Листовые заготовки собирают способом монослоев или способом «сэндвич».

Заготовки типа «сэндвич» собирают укладкой в пакет слоев волокон (сеток, матов,

тканей) и матричных слоев фольги, соблюдая последовательность укладки слоев,

требуемую схему армирования и степень армирования. Нужную степень армирования в заготовке обычно обеспечивают применением матричной фольги различной толщины, укладкой различного числа слоев арматуры или использованием волокон различных диаметров. Способом «сэндвич» получают заготовки только с продольно-поперечным расположением волокон.

Способ монослоев, схема которого представлена на рисунке 11, позволяет собирать заготовки, в которых слои волокон могут быть ориентированы под

43

различными углами друг к другу в соответствии с требованиями наилучшего восприятия внешних нагрузок.

:

1 – барабан; 2 – натяжное устройство; 3 – бобина бороволокна; 4 –

алюминиевая фольга; 5 – заготовка

Рисунок 11 – Схема получения заготовки MKM AI-B способом намотки монослоев

При сборке заготовок этим способом осуществляют намотку боро-

волокна (одного слоя волокон с требуемым шагом и углом намотки) с бобины 3 на цилиндрический барабан-оправку, на котором закреплен слой алюминиевой фольги.

Для фиксации геометрии укладки волокна закрепляют на фольге 4 беззольным клеем в местах, по которым в дальнейшем фольга разрезается. Снятые с барабана монослои укладывают в нужном порядке в стопку и уплотняют прессованием.

Трубчатые и прутковые заготовки получают прокаткой, экструзией и волочением.

Наиболее производительный способ производства армированных лент и листов – прокатка. По этой технологии между валками 5 прокатного стана уплотняют либо матричные ленты и арматуру в виде непрерывных волокон (сеток,

листов), либо ленты 1,3 с расположенными между ними дискретными элементами

(рисунок 12). Прокаткой можно получить и армированные профили. Для этого используют сортовые прокатные станы, в калибры которых подают матричные ленты вместе с волокнами.

44

1,3 – разматыватели полос; 2 – бункер для дискретных волокон; 4 – ролики; 5–

рабочая клеть прокатного стана; 6 – армированная полоса Рисунок 12 – Схема непрерывного процесса прокатки металлических

армированных полос

Для уплотнения заготовок типа «сэндвич», а иногда для изготовления готовых деталей из МКМ применяют диффузионную сварку. Отличительным признаком этого процесса является отсутствие больших пластических деформаций, поэтому диффузионная сварка незаменима при получении МКМ, армированных хрупкими волокнами. Особенно большими возможностями обладает метод диффузионной сварки под давлением в газостате или автоклаве.

Динамическое горячее прессование использует для уплотнения пакета энергию удара. Предварительно пакет равномерно прогревают, затем переносят под молот и наносят удар падающими частями с заданной энергией. При этом компоненты МКМ соединяются в течение долей секунды. При этом методе получения МКМ нельзя использовать хрупкие волокна.

В таблице 3 представлены свойства однонаправленных МКМ, полученных методами твердофазного совмещения.

Сварка взрывом - весьма перспективный метод получения МКМ как в виде полуфабрикатов (листов, труб), так и в виде готовых изделий (рисунок 13).

Относится она к разновидностям обработки металлов на основе энергии взрыва. Этот метод не требует нагрева перед деформацией, что позволяет сохранить исходную прочность армирующих волокон.

45

Таблица 3 – Свойства однонаправленных композиционных материалов с

алюминиевой и магниевой матрицей

Однако опасность представляет взрывная волна как поражающий фактор,

поскольку масса взрывчатых веществ составляет от нескольких граммов до сотен килограммов. Соединение образуется за счет соударения взрываемой пластины и основания (рисунок 13). В результате происходит деформация и нагрев поверхностных слоев металла, наблюдаем физический контакт и активацию в месте соударения. Только там, где контакт сопровождается взаимным сдвигом, получают прочное соединение.

Недостаток этого метода в том, что последующий после сварки нагрев может вызвать интенсивную диффузию и образование интерметаллидных фаз в зоне соединения, что приводит к снижению прочности. Избежать этого возможно,

применяя промежуточные прослойки из металлов, не взаимодействующих со свариваемыми материалами. В качестве таких металлов используют тантал, ванадий и ниобий.

46

Рисунок 13 – Схема получения двухслойного КМ «сталь-медь» с помощью

взрыва

4.1.2 Метод жидкофазного совмещения матрицы и волокон

собой условиями пропитки армирующего наполнителя:

-пропитка расплавом при нормальном давлении;

-вакуумное всасывание;

-пропитка расплавом под давлением;

-комбинированные методы пропитки (с использованием давления и вакуума,

центробежных сил и т.д.).

Процессы могут проводиться как в обычной воздушной, так и в защитной атмосфере.

Условия пропитки, в основном, определяются реакционной способностью расплавленной матрицы и смачиваемостью волокон матрицей. Металлические матрицы, как правило, плохо смачивают керамические армирующие волокна.

Увеличить способность металлов смачивать керамику удается введением в расплав легирующих веществ: титана, хрома, циркония.

Пропитку используют для получения углеалюминия (Аl - С). Применяют две

разновидности метода пропитки:

47

1)протяжку углеродного жгута через матричный расплав с последующим формованием пропитанных жгутов;

2)принудительную пропитку каркаса из углеродных волокон, уложенных в пресс-форме.

Пропитка волокон расплавом матрицы при нормальном давлении (метод непрерывного литья КМ – рисунок 14) является наилучшим способом изготовления изделий сложной формы и полуфабрикатов в виде прутков, труб, профилей и т.д.

а) б)

а – схема процесса: 1 – композитный пучок; 2 – разделенные волокна;

3 – расплавленный металл; 4 – ограничители пучка волокон;

б – виды изделий Рисунок 14 – Схема процесса непрерывной пропитки жидким металлом и

получаемые виды изделий

Этот метод применим в тех случаях, когда волокна термодинамически стабильны в расплавленной матрице. Самый простой вариант этого метода заключается в укладке волокон в литейную форму и заливке в нее расплавленного металла матрицы. Перспективной и значительно более широко применяемой разновидностью метода пропитки расплавом при нормальном давлении является

непрерывная пропитка пучка волокон.

Для упрочняющих волокон, склонных к окислению при нормальных условиях,

магния, упрочненные борными волокнами, на основе никелевых сплавов,

упрочненных вольфрамовой проволокой, и др.

48

В таблице 4 представлены свойства МКМ магний - бор, полученных методом

пропитки в вакууме.

Таблица 4 – Свойства МКМ Мg - В, полученных методом пропитки

Характеристики материалов при этом получаются примерно одинаковыми.

Рассмотрим получение дисперсно-упрочненного композиционного материала

Al (матрица) – Al2O3 (наполнитель) с помощью процесса направленной реакционной пропитки (НРП).

При обдувке воздухом или кислородом поверхности нагретого (до температуры 1200-1350°С) исходного сплава алюминия с магнием, начинается образование оксидного слоя, имеющего дуплексную структуру MgO-MgAl2O4

(рисунок 15 а). Через несколько часов в этом слое начинают образовываться микротрещины (вследствие отличия коэффициентов термического расширения указанных фаз).

По окончании инкубационного периода, времени образования дуплексного слоя с микротрещинами, происходит непрерывная подача расплава к фронту реакции с газообразным окислителем, путем его капиллярного всасывания через микротрещины в дуплексном слое (рисунок 15 в) и далее через каналы микронного сечения между выросшими кристаллами алюмооксидной фазы (рисунок 15 д),

образующими «плотную сетку» (рисунок 15 г).

49

1 – огнеупорная емкость; 2 – газоизолирующий слой (гипс CaSO4∙2H2O); 3 –

сплав Al c Mg – 6% масс; 4 – оксидный слой; 5 – микротрещины; 6 – расплав алюминия; 7 – кристаллы Al2O3; 8 – композит Al-Al2O3.

Рисунок 15 – Схематическое изображение процесса направленной реакционной пропитки

Такое направленное перемещение расплава под действием капиллярных сил идет до полного исчерпания алюминиевого расплава (рисунок 15 б).

Так образуется дисперсно-упрочненный композиционный материал (ДУКМ),

в котором алюминиевый каркас является пластичной матрицей, а выросшие алюмооксидные кристаллы – хрупким наполнителем.

Для этого метода характерно применение вакуумного оборудования с различными нагревательными элементами: резистивными, электронно-лучевыми и индукционными.

50