книги / Технология композиционных материалов

Алюминий и сплавы на его основе, используемые в качестве мат­ рицы КМ, выпускаются промышленностью в виде слитков, листов, лент, фольги, прутков, проволоки и порошка.

илитейный.

Вкачестве матриц применяют технически чистый алюминий. Физи­ ческие свойства такого алюминия марки АД следующие: при 293 К

плотность материала р = 2,7-108кг/м3; Тпл= 9 33,2 К; удельная теплоемкость С = 0,93»103 Дж/кг. Относительная электропроводность его по сравнению с отожженной медью составляет 64,94 %. У отожжен­

гие используются для получения КМ твердофазными методами. Они об­ ладают хорошей коррозионной стойкостью и высокой технологической пластичностью.

Для получения КМ на основе алюминия жидкофазными методами (пропиткой, литьем и т . д . ) используются литейные алюминиевые спла­

сравнительно невысокой линейной усадкой и пониженной склонностью

проволоку алюминиевую сварочную (ГОСТ 7871-75) марок СвА97, СвА5, СвАМц и другие.

М а т р и ц ы н а о с н о в е н и к е л я . Технически чистый никель модно использовать при получении КМ, армированных

(окалиностойкие), ХН77ТЮР, ХН67МВТЮ (жаропрочные) и другие. Пре­

целом (химическая реакция между компонентами, взаимная диффузия, интенсивная рекристаллизация волокон). Наилучшей совместимостью с вольфрамовой проволокой при температуре 1273-1473 К обладает

сплавы за счет более высокой температуры плавления могут превосхо­ дить никелевые. Механические свойства технического кобальта следу­

Кобальтовые сплавы по технологическому признаку делятся на деформируемые и литейные.

1 .3 .3 .2 . Требования, предъявляемые к металлическим матрицам

метров определяет механизм разрушения и весь комплекс механичес­

раздела компонентов и завершается независимым, раздельным разру­ шением не связанного (слабо связанного) пучка армирующих волокон и матрицы. При низкой сохраненной пластичности матрицы (охрупчи­ вании матрицы) трещины в ЮЛ, появившиеся при разрушении наименее прочных волокон, легко транспортируются через матрицу и за счет концентрации напряжений у их устья перерезают встретившиеся на их пути волокна, так что образец КМ разрушается одной магистраль­ ной трещиной при весьма низких расчетных напряжениях.

Основными требованиями, предъявляемыми к металлическим матрицам, являются совместимость с материалом армирующих волокон при температурах получения и эксплуатации КМ; высокие значения прочности и пластичности при нормальной и повышенной температу­

I . 4 . I . Классификация наполнителей

Наполнители по их типу и форме классифицируют следующим об­ разом: I) порошковые наполнители, сплошные и полые микросферы; 2 ) короткие (рубленые) волокна, нитевидные кристаллы (усы), эле­ ментарные волокна, волокнистые армирующие материалы; 3 ) объемные ткани, плетеные и другие структуры с пространственным распсложе-

нивм арматуры (пространственно-направленные структуры); 4) газо­ образные наполнители.

По происхождению наполнители делятся на органические и не­ органические (минеральные), В свою очередь, органические наполни­ тели бывают природные (хлопок, лен и другие) и синтетические (полиэфирные, полиамидные и д р .).

Наполнители, изменяющие основные характеристики материалов, называются активными (волокнистые армирующие материалы), не изме­ няющие этих характеристик - инертными (как правило, порошкообраз­

полнителях проявляется уже при длине волокна 2-4 мкм. С увеличе­ нием длины волокон прочность возрастает благодаря взаимному их переплетению. Использование непрерывных волокон позволяет полу­ чать изделия из КМ с исключительно высокими прочностными показа­ телями.

Из природных волокон применяют хлопок, джут, сизаль (сизаль волокно из листьев агавы), лен. Наиболее широкое применение нахо дят синтетические волокнистые материалы - полиэфирные, полиакрило нитрильные, полиамидные. Они обладают хорошей адгезией к наполняв мым полимерам, а содержащие их КМ характеризуются исключительно высокой коррозионной и химической стойкостью, водостойкостью, вы­ сокой износоустойчивостью.

Недостатком этих материалов является сравнительно невысокая теплостойкость.

П р и м е ч а н и я :

1.Борные волокна содержат сердцевину из борида вольфрама.

2."Усы” обладают очень высоким пределом прочности и сверх­

Для повышения теплостойкости и конструкционной прочности КМ применяют наполнители из термостойких волокон - полиимидных, полибензимидазольных, полиоксадиазольных и др.

Наиболее важными из неорганических волокнистых наполнителей являются стеклянные и асбестовые.

В производстве конструкционных ПКМ наибольшее применение по­ лучили стеклянные, органические, углеродные, борные волокна.

Для наполнения полимеров применяют также волокна из кварца, базальта, керамики, металлическую проволоку, волокна бериллия,

странение получили стеклянные волокна бесщелочного состава: элект­ ротехнические - алюмоборосиликатные (Е, АБС), высокопрочные магнезиальноалюмосиликатные ( S , ВМП), высокомодульные - бериллийкальцийсиликатные (М), радиотехнические - кварцевые.

тей, лент, тканей различного вида переплетения, рубленого волокна, нетканевых материалов.

Органические волокна. В настоящее время из органических воло­ кон промышленное применение получили полиамидные, полиэфирные, по­ лиакрилонитрильные, полипропиленовые, поливинилонитрильные, вискоз­ ные и другие. Высокая гигроскопичность, низкая прочность и термо­ стойкость, значительная ползучесть при нагружении этих волокон ог­ раничивают их применение для армирования конструкционных КМ.

Для армирования КМ ответственного назначения в настоящее вре­ мя применяют термостойкие арамидные волокна СВМ, кевлар, обладаю­

Ползучесть арамидных волокон при нормальной температуре не превышает 1,5 %. Термостабильность их ограничена температурой 550-600 К, арамидные волокна характеризуются негорючестью, низ­ кой тепло- и электропроводностью и легко перерабатываются в ро­ винги, ткани различной структуры.

Углеродные волокна. Получают обработкой органических воло­ кон при высокой температуре в инертной среде или вакууме. В ка­ честве исходного сырья для получения углеродных волокон исполь­ зуют синтетические, богатые содержанием углерода волокна из полиакрилнитрила (ПАН-волокно), гидратцеллюяозы (Щ -волокно), во­ локна из пеков и смол.

Процесс получения углеродных волокнистых материалов из ПАНволокна состоит из трех стадий: окисления, карбонизации и графи-

Наибольшей термостойкостью обладают нитевидные кристаллы сапфира и карбида кремния. При температуре 1773 К прочность кри­ сталлов не зависит от их размеров и составляет в среднем 1500 МПа, а для нитевидных кристаллов карбида кремния прочность сохраняется при нагреве до 2023 К. Высокая термостойкость и окислительная ус­ тойчивость НК объясняется совершенством их внутренней структуры.

1 .4.1.3. Полые микросферы

Полые микросферы представляют собой частицы сферической фор­ мы контролируемых размеров от 25 до 500 мкм, низкой плотности 100-700 кг/м3 , способные выдерживать гидростатическое давление более 10 МПа. Микросферы применяют для получения легких наполни­ телей КМ - синтактической пены, или синтактики. На основе термо­ пластичных и термореактивных смол получают материалы с повышенной удельной прочностью, плавучестью, равномерной плотностью по объему.

ПКМ на микросферах являются эффективными радиопрозрачными и

механических, теплофизических и других свойств. Степень анизотро­ пии свойств принято характеризовать отношением показателей, опре­ деленных в различных направлениях волокон. Наиболее отчетливо ани­ зотропия проявляется при сопоставлении свойств композитов в направ­ лении укладки волокон со свойствами, определенными под углом арми­ рования. В отличие от физической (природной) анизотропии компози­ там присуща конструкционная анизотропия, которая создается в про­ цессе их изготовления итак же, как и свойства композита, является регулируемой величиной.

Регулирование степени анизотропии, оптимизация показателей свойств композитов достигаются целенаправленным изменением их состава или структуры армирования.

1 .4.2.1. Совмещение различных волокон

Создание гибридных композитов путем совмещения в едином ма­ териале волокон разной природы является эффективным средством регулирования свойств композитов независимо от их структуры и схем армирования.

Возможны различные варианты сочетания непрерывных наполни­ телей. Первый вариант предусматривает создание гетероволокнистых материалов по принципу однородных смесей. При этом волокна раз­ личных типов равномерно распределяются в первичной нити или жгу­ те (например, борная нить в стеклянной оплетке). Второй вариант заключается в использовании многокомпонентного наполнителя: тка­ ни, мата или шпона из различных нитей, и жгутов. По третьему ва­ рианту чередуются слои листовых наполнителей с различными волок­ нами.

1 .4 .2 .2 . Перекрестная укладка слоев

Регулирование свойств слоистых композитов осуществляется пе­ рекрестной укладкой слоев по высоте материала и изменением углов ориентации волокон в отдельных слоях. Наиболее простой и распро­ страненной является перекрестная укладка, при которой волокна в слоях материала ориентированы под углом + Л относительно глав­ ных осей симметрии. Частным случаем является ортогональная уклад­ ка слоев. Регулирование свойств в ортогонально-армированном ком­ позите достигается изменением соотношения однонаправленных слоев, уплотненных во взаимно перпендикулярных направлениях. Прочность ортогонально-армированных композитов при сжатии несколько пони­ жается с увеличением толщины слоев.

1 .4.2.3. Пространственное армирование

Модули упругости и прочность композита при межслоевом сдви­ ге, растяжении и сжатии в направлении, перпендикулярном плоскос­ ти укладки слоев композита, мало чувствительны к изменению рас­ положения волокон в плоскости армирования. Существенное повыше­ ние этих характеристик композита достигается созданием попереч­ ных связей между слоями, т .е . пространственным расположением во-