Композиционные материалы. Учебное пособие

Метод НРП позволяет получать композиты, используя различные металлы и газовые среды. Например, в качестве исходных металлов могут быть использованы

– Al; Si; Zr; Ti; Hf; Sn; Zn, а в качестве газообразных компонентов – O2; N2; CO2; NH3; H2. Тогда продуктом реакции могут стать кристаллы различных соединений

(оксидов, карбидов, нитридов). А изменяя состав газа в процессе пропитки, можно добиваться образования в металлической матрице смеси кристаллов, отличных по фазовому составу.

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

расплав алюминия; 4 – оксидный слой; 5 – микротрещины; 6 – алюмооксидная заготовка с цилиндрическими каналами; 7 – прорастающие волокна состава Al/Al2O3(кристаллы).

Рисунок 16 – Схематическое изображение направленного перемещения расплава в сквозных цилиндрических порах

На рисунках 16 и 17 показана реализация метода НРП с использованием каркаса с каналами, которые пространственно ограничивают рост ДУКМ.

Получается КМ с волокнами из ДУКМ.

51

а – фронтальная поверхность; б – продольный излом;

1 – алюмооксидная заготовка; 2 – пористые волокна состава Al/Al2O3

(кристаллы); 3 – граница волокна Рисунок 17 –Вид структуры материала, полученного в результате заполнения

расплавом алюминия цилиндрических каналов в заготовке из Al2O3

Достоинства метода НРП:

1)Отсутствие усадки получаемых композитных изделий;

2)Позволяет изготавливать сложнопрофильные, крупногабаритные изделия;

3)Высокая трещиностойкость и прочность получаемых материалов (σизг = 600

-1000 МПа), по удельной жесткости в интервале температур 20 – 400 °С превышают показатели для алюминия, титана и стали.

Недостаток такого метода – низкая производительность по сравнению с литьём. Материал волокна находится долго в контакте с расплавленным металлом при создании композита, что предполагает учитывать протекающие реакции..

4.1.3 Газофазные методы осаждения-напыления

Осаждение-напыление –это газофазные, химические и электрохимические

процессы получения МКМ. Главной технологической особенностью этих процессов

52

является нанесение на волокна покрытий из матричного материала, который,

заполняя межволоконное пространство, образует матрицу МКМ.

Преимущества осаждения-напыления:

-отсутствует разупрочнение волокон, поскольку волокно в процессе формообразования изделий из МКМ не подвергается воздействию высоких температур или значительным механическим нагрузкам;

-исключается возможность непосредственного нежелательного контакта волокон друг с другом;

-имеется возможность формообразования полуфабрикатов и изделий сложной геометрической формы;

-процесс введения матрицы может быть осуществлен в непрерывном варианте, в том числе в промышленных масштабах.

Главным недостатком процессов осаждения-напыления является трудность использования в качестве матриц сложнолегированных сплавов.

В практике производства МКМ наибольшее применение получили методы газотермического (обычно, плазменного) напыления и электролитического осаждения. Плазменное нанесение покрытий заключается в следующем: наносимый материал матрицы в виде порошка или проволоки подводится к плазменной струе,

температура которой около 15000 °К, расплавляется и, подхваченный сильным потоком плазмообразующего газа (например, аргона), направляется к поверхности изделия. Двигаясь с большой скоростью (150 м/с), частицы материала при ударе о поверхность подложки (металлическая фольга) прочно соединяются с уложенными на ней определенным образом волокнами. Полученный таким образом МКМ требует дальнейшей обработки давлением или диффузионной сваркой.

На рисунке 18 показаны схемы получения МКМ с использованием метода плазменного напыления.

Промышленностью серийно выпускаются плазмотроны УПУ-ЗД (напыление из порошка и проволоки) и УМП-6 (напыление из порошка).

53

а – монослойная заготовка, б – монослойная цилиндрическая деталь:

1 – плазмотрон; 2 – волокно; 3 – напыляемый материал Рисунок 18 – Схемы плазменного напыления

Принципиальная схема изготовления МКМ электролитическим осаждением с использованием непрерывных волокон показана на рисунке 19.

1 – источник питания; 2 – анод; 3 – шпуля с волокном; 4 – ванна с электролитом; 5 – катод-оправка

Рисунок 19 – Схема изготовления МКМ способом электролитического осаждения

Волокно перематывается с катушки на специальную металлическую оправку,

служащую катодом. Оправка частично погружена в электролит и совершает вращательное движение с заданной скоростью. Анод, изготавливаемый из осаждаемого металла – матрицы, размещается на определенном расстоянии. В

результате осаждения материала анода на оправку образуется, как правило,

плотный, малопористый материал, который фактически не требует дальнейшего

54

уплотнения методом прессования, спекания, прокатки. Правда, при использовании

волокон бора или металлических волокон диаметром 100 мкм и более в процессе

формирования МКМ образуется пористость.

В таблице 5 представлены свойства никелевых МКМ, полученных способом

электролитического осаждения.

Таблица 5 - Свойства никелевых МКМ

МКМ можно получить также осаждением из газовой фазы, методом испарения и конденсации, катодным распылением и другими способами, которые для формирования МКМ применяются практически очень редко. Эти способы рассмотрены в специальной литературе.

4.2 Методы получения композитов с полимерной матрицей

Получение деталей из полимерных композитных материалов может осуществляться как процессами, характерными для формованных изделий из полимеров (литье под давлением, прессование и так далее), так и специальными процессами (намотка и так далее), уникальными для этого класса материалов.

55

композиционных материалов

Прессование полимерных композитных материалов (ПКМ) заключается в пластической деформации материала при одновременном воздействии на него тепла и давления с последующей фиксацией формы изделия. Прессование композитов проводится в пресс-формах, конфигурация полости которых соответствует конфигурации будущего изделия.

Пресс-формы устанавливаются на прессах, назначение которых – создание необходимого давления прессования. Помещенный в пресс-форму холодный или предварительно подогретый материал разогревается до температуры прессования и,

подвергаясь под давлением прессования деформации одномерного течения,

заполняет полость формы и одновременно уплотняется, как показано на рисунке 20.

Рисунок 20 – Схема технологического процесса переработки полимерных композиционных материалов методом прессования

Фиксация формы изделия происходит в результате отверждения реактопластов или охлаждения термопластов, либо охлаждения под давлением до температуры ниже температуры стеклования полимеров (для термопластов).

56

4.2.2 Технологический процесс литья под давлением

Технология литья под давлением применяется в основном для изделий из термопластов.

В процессе литья под давлением 80-140 МПа формуемый полимерный композитный материал поступает в инжекционный (пластикационный) цилиндр литьевой машины, где нагревается до температуры 300-350 С в случае термопластичной матрицы и до температуры 80-110 С - в случае термореактивной матрицы. При этом давление в литьевой форме поднимается постепенно по мере ее заполнения.

1 – пресс–форма; 2– деталь; 3 – сопло; 4 – электронагреватель; 5 –

рассекатель; 6 – рабочий цилиндр; 7 – поршень; 8 – загрузочный бункер; 9 –

дозатор.

Рисунок 21 – Установка литья под давлением

Пластифицированный материал при поступательном движении шнека или поршня впрыскивается через мундштук (форсунку) с соплом в литниковый и разводящий каналы, а оттуда в гнезда пресс-формы, где ПКМ с термопластичной матрицей охлаждается до температуры 20-110 С, а с термореактивной — нагревается до температуры 160-200 С. В пресс-форме материал выдерживается под давлением для уплотнения, затем пресс-форма размыкается и сформованное изделие выталкивается из нее (рисунок 21).

57

Недостаток метода заключается в неравномерности распределения материала по длине полости, из-за вязкости материала, которая с охлаждением быстро возрастает. Для устранения этого, используют предварительное сжатие,

инжекционное прессование и другие методы.

4.2.3 Технологический процесс экструзии

Наряду с литьем под давлением экструзия это популярный метод получения композитов. В процессе экструзии полимерных композитных материалов формуемый материал поступает в зону питания экструзионного оборудования, где увлекается вращающимся червяком диаметром 20-250 мм и продвигается вдоль обогреваемого цилиндрического корпуса в зоны пластикации и дозирования. По мере продвижения материала в сторону головки полимерная матрица плавится за счет трения и внешнего нагрева, а расплав ПКМ гомогенизируется. Расплавленный полимерный композитный материал нагнетается в головку, откуда выходит сформованное изделие, которое затем охлаждается.

В основном применяемый тип экструдера – шнековый или червячный,

основными элементами которого являются обогреваемый цилиндр, шнек, решетка с сетками и формующая головка. Шнек, в зависимости от вида изделия, может быть выполнен с различным шагом и глубиной витков (рисунок 22). Так же значение имеет отношение длины шнека к его диаметру.

Двух- и многошнековые экструдеры применяют для выполнения специальных задач и обязательно снабжаются камерой дегазации.

Многошнековые экструдеры ещё называют планетарными. В этом случае конструкция включает один центральный шнек, вокруг которого на одинаковом радиальном расстоянии, располагаются, по меньшей мере, шесть дополнительных шнеков. Использование такого устройства позволяет обходиться без применения высоких температур, но с интенсивным смешиванием и дегазацией материала,

который склонен к быстрому термическому разложению.

58

Рисунок 22 — Экструзионная установка

Деление шнека на технологические зоны, как показано на рисунке 22,

условно, поскольку длина каждой зоны определяется расположением нагревателя и температурой. Производительность же экструдера определяется скоростью продвижения материала от бункера до разгрузки, что обеспечивается сушкой загрузочных компонентов и использованием принудительного устройства для их подачи. Для избегания перегрева цилиндра под воронкой, т.е. слипания компонентов, предусмотрена полость для циркуляции воды, что позволяет охлаждать эту часть устройства.

4.2.4 Технологический процесс пултрузии

Пултрузия – это технология изготовления высоконаправленных волокном изделий из композита с постоянной поперечной структурой.

Во время процесса пултрузии происходит протягивание композиции матричного полимера с непрерывными волокнами через формообразующее и консолидирующее устройство – пултрузионную головку (рисунок 23).

В отличие от экструзии, где основным рабочим воздействием служит давление, в процессе пултрузии таковым является тянущее усилие.

59

Достоинство этого метода в его дешевизне, так как он имеет высокую производительность при низкой стоимости компонентов. Кроме этого, пултрузия обеспечивает высокую прочность изделию и легко поддается точному контролю подаваемой смолы.

Недостатки пултрузии – большие энергозатраты на нагрев и невозможность получения изделий различных по геометрическим параметрам.

Рисунок 23 – Процесс пултрузии

Метод контактного формования используют при мелкосерийном производстве крупногабаритных изделий (рисунок 24). Контактное формование или выкладка полимерных композитов заключается в следующих последовательных технологических операциях:

Слои препрега или волокнистого наполнителя послойно выкладываются или наматываются на форму с одновременной пропиткой его связующим, чаще всего холодного отверждения, и уплотнением прикаточным роликом или кистью,

которой наносится связующее.

60