Р03д1л 1. Композиц1йн1 матер1али 3 металевою матрицею

1. Армуюч1 волокна

Волокна використовуються як арматура композищйних матер1атв, Тм мають бути властитп невелика густнна, висока мщшсть в усьому штервал1 робочих температур, технолопчнгсть, мшмальна розчиншсть у матрищ, висока xiMiHHa стшкють. вщсутшсть фазових перетворень при робочих температурах та, яйцо можливо не токсичшсть у виготовлешн i ассплуатаци [!]•

Для армування застосовують ниткоподабш кристали (вуса), металевнй дргг, неоргашчш й оргашчш волокна. Вуса мають дааметр вщ часток MiKpOMeTpa до кшькох мкрометр^в, а довжину - вщ часток мкрометра до кшькох сантиметр1в i широкого використання в якост! армуючих елеменпв конструкшйпих КМ поки що не знайшли.

Високомщний металевий др1т [з стат, вольфраму, мол1бдену i шших металiB хоч i мае бшыну густину i меншу мщшсть, шж вуса, використовуеться в яко<гп арматури, особливо для КМ з металевою основою, набагато частше завдякн своГй технолопчносп, широюй доступносп i nopiBtOTio нсвисок1Й BapTOcri. Полкристал^чш неоргатчш волокна, як i металевий др1т, продукуються промисловйто у велиюй кшькость шйм недолком е висока чутливють до мехашчних ушкоджень, та все ж невелика густина, висока мщшсть, xiMinna стшкють вуглецевих, борних, скляних, карбщкремшевих, кварцових i шших волокон дозволяють широко використовувати щ матер1али для армування пластмас i метатв. Оргашчш волокна використовуються лише для армування гохшмерних матриць.

Волокна бору, карбщу кремшю i борсику (B-SiC), яким власпш висока мщшсть, жорстюсть i невелика густина, найбшын перспективна для змшнення матриць на ochobi легких мстал1В (Al, Mg, Ti) та ixHix cruiaBiB. У niTcparypi надаеться багато уваги алюмшпо, армованому волокнами бору i карбщу кремшю, KOTpi отримують осадженням is газово! фази бору i карбиду кремшю на HarpiTy до температури 1373... 1473 К поверхню вольфрамового дроту диаметром 12,5 мкрометра. Д1амстр волокон, що Тх випускае промислов!сть, складае 90... 150 мкрометр1в.

Для отримання волокна використовують одно- чи двокамерний реактор, через котрий 3i швидистю 5... 18 м/шд протягуеться вольфрамова нитка, нагрета за допомогою прямого пропускания струму, який подаеться через затвори-контакти. Стввщношення компоненте парогазово‘1 фази добираеться у залежносп вщ конечного, що потребуется, Л1амстра волокна, д1аметра вольфрамовоУ пщложки та po3Mipie реактора.

Утворення бору, що осаджуеться, можна досягнути шляхом нщповлення його з тетрахлориду, яке вщбуваеться в середовипи водню за рсикщею:

2ВС1₃ +ЗН₂-» 2В + 6НС1

Серцевина волокон бору, отриманих на вольфрамовой пщпожщ, складаеться з борнщв вольфраму WB, W2B5 та WB4 . За тривалого Harpiey )бер[гасться в основному фаза WB₄. Утворення зазначених сполук шдбуваеться внаслщок дифузи за взаемоди вольфраму з бором в умовах иисокотемпературного названия.

Ф1зико-мехашчш властивосп волокон бору, карбиду кремшю i борсику наведен! в табл. 1.1; температурна залежшсть модуля пружност! i мщносп нолокон - в табл. 1.2.

Волокна бору мають кристал!чну структуру /3-ромб1чно\' модиф1каци, що формуеться за температури 1476 К. Домпики у вихщних продуктах нпливають на фазов! перетворення.

На рис. 1.1 схематично шюструються головш особливосй будови борного волокна.

Останшм часом при отриманш борних волокон замкть вольфрамово! нитки з густиною р = 19 ООО кг/м¹ використовуготь скловуглецеве чи вуглецеве моноволокно з густиною 1600 кг/м³, вироблене з тсрмопластичних нек1в [2].

У табл. 1.3 i 1.4 наводяться деяы властивост! тих та шших борних нолокон.

Таблиця 1.1. Ф13ико-мехашчш властивоЫ волокон бору, борсику i карбиду кремшю

Матер1ал подокна	d, мкм	Е, ГПа	Т 3G.T Гпа	М	МПа	^ВИ| ’ %	е, %
В	100	384...448	169...183	0,2...0,25	2500... 3800	6000... 6500	0,2.„0,8
li/SiC	104...145	420			2980
SiC	100	400... 500	170		2000... 4000	7000	0,3...0,5

Прими-ка. d - д1амстр волокна, Е - модуль Юнга, - модуль зсуву, ц - коеф1щент

Таблиця 1.2. Температурна залежнють модуля пружнош i мщиост1 волокон

MaTepian, власти- вост1 Т,К	В	B/SiC	SiC		В	B/SiC	SiC
	Е, ГПа			^В.5 Мпа
293	385...448	420	400... 500		2500... 3800	2980	2000...4000
478			455			2920	2110
588			455			2710	2080
698		350	455			1830	2070
813		280	455			1580	2050

Рис. 1.1. Структурна будова борного волокна: 1 - зовшшнШ вигляд текстурованоУ поверхш; 2 - збшьшене зображення окремо! зерннни з субструктурою, що залежить вщ д1аметра волокна; 3 - залишковий вольфрам (вихутгний д'аметр -12,5 мкм; звичайно мае сильно виражену ор1ентащю); 4 - багатт на вольфрам i бор кристшйчш зони (зовшшшй д1аметр -18 мкм), що за складом вщповщають \V2B5Ta WB4; 5 - шар аморфного бору в поперечнику 20...30 Е з густиною 2,35 г/см³, типовою для м1Жплощинних пром1жив 4,2, 2,5,2,7 та 1,4 Е; 6 - зовшшня оболонка

Таблиця 1.3. Пор1вняльш характеристики волокон на W- та скловуглецевих основах

Marepiai Характеристики'-'^.	Волокно на W-ochobi	Волокно на скло вуглецевШ ochobi
d, мкм	12,7- 10'V	25,4-10'6м
<тв, Мпа	2500...3500	3700...5000
Стан поверхш	Борознуватий	Гладкий

Примггка. d- д1аметр волокна; <г_в., - мщшсть при розтяганш.

Таблиця 1.4. Властивосп борних волокон

'^"~-М<ужа волокна, Краша '"^-^^	d, мкм	ов., МПа	Е, Гпа	^*ЗС5 ГПа
В/W/, УкраТна	95	3400	395	180
В/W/, США	143	3470	395	180
SiC/B/W/, США	107	3800	395
В/W, Франщя	100	3400	380
В/W, Япошя	97	3750	370	179

Примята, d - дааметр волокна; в_п - инцшсть при розтягант; Е - модуль пружиосп; Тзс - модуль зсуву.

Волокна бору, карбщу кремшю i борсику використовуються для армування композищйних MaTepianiB у дискретному i безперервному видах, а також у вид1 нашвфабрикапв - попередньо пщтотовлених односпрямованих стр1чок. Через велику жорстюсть в крученому вида ix не застосовують.

Лише в останш десятшпття бор став першорядно важливим елементом: в'ш сам i багато з його сполук знадобилися в атомшй i ракетнШ техшщ, металургп, металообробшй, xiMinHift промисловостп та шшим галузям.