книги / Нанотехнологии и специальные материалы

предпочтительной ориентации. Таким методом обычно нзготавли вают бронзовые фильтры из порошка со сферической формой частиц и никелевого порошка. Применяют бронзовые фильтры для фильтрации масел, жидкого топлива, воздуха, других неаг­ рессивных жидкостей при температуре до 180 °С, а если преду­ смотрена защита от коррозии —до 500 "С.

Фильтрующие элементы с применением прессования изготав­ ливают в закрьггых прессформах, гидростатическим прессованием в эластичных оболочках, экструзией и прокаткой порошка. В этом случае пористость изделия несколько ниже, чем в случае спека­ ния свободно насыпанного порошка (20—45 %). Методами экс­ трузии и прокатки изготавливаются фильтрующие элементы на основе порошков нержавеющей стали, железа, молибдена, вольф­ рама и других металлов и сплавов. Особо широкое применение находят фильтры, изготовленные из порошков хромонпкелевых сталей ПХ18Н9, ПХ18Н10Т, что объясняется их высокой корро­ зионной стойкостью и более низкой, по сравнению с никелевыми фильтрами, ценой.

6.7.3. АНТИФРИКЦИОННЫЕ И ФРИКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Порошковые антифрикционные материалы используются в уз­ лах трения (подшипники скольжения, поршневые кольца и т. и.), успешно заменяя собой дорогостоящие литые, в частности бабби­ товые, изделия. Замена литых подшипников порошковыми не только снижает себестоимость изделий, но также обеспечивает получение антифрикционных изделий с самыми разнообразными структурами, которые могут содержать износостойкую твердую основу и различные мягкие включения, нередко выполняющие роль сухой смазки. Особую роль в антифрикционных порошко­ вых изделиях играет остаточная пористость, величина которой может достигать 50 % и более.

Поры в таких изделиях заполняются маслом, и при работе между сопряженными деталями образуется устойчивая масляная пленка, облегчающая работу подшипника, снижающая пусковой момент двигателя, повышающая его работоспособность, ресурс и экономичность. При небольших нагрузках на подшипник допол­ нительной смазки не требуется.

В условиях малых скоростей вращения сопряженной детали масла в порах подшипника оказывается вполне достаточно для его работы без дополнительной смазки в течение длительного пе­ риода. Это особенно ценно в условиях затрудненной смазки или при необходимости предупреждения попадания смазочного мате­

ценных свойств каждого составляющего при строго заданных и искусственно регулируемых геометрических параметрах струк­ туры.

По структуре и расположению компонентов КМ подразделя­ ются на группы с различным типом структуры: с каркасной, мат­ ричной, слоистой и комбинированной структурами. К КМ с кар­ касной структурой относят псевдосплавы, полученные методами пропитки, дисперсноупрочненные и армированные волокнами. Композиционные материалы со слоистой структурой —это мате­ риалы, полученные путем набора чередующихся слоев фольги или листов материалов различной природы или состава; КМ с комби­ нированной структурой —материалы, содержащие комбинации первого ряда групп (например, псевдосплавы, каркас которых упрочнен дисперсными включениями, относятся к материалам, сочетающим каркасную и матричную структуры).

Цель создания КМ —получение материалов с малой плотно­ стью, но высокой прочностью, ударной стойкостью, тепло-, жаро-, химической стойкостью, без которых невозможно создание со­ временных космических кораблей, ракет н самолетов, автомоби­ лей, радио- и электротехнических изделий, развитие судострое­ ния, атомной энергетики, холодильной и криогенной техники, пищевой промышленности и т. п.

Основным признаком КМ является наличие хотя бы одного компонента, непрерывного в трех измерениях, связывающего все остальные составляющие в единое целое. Поэтому физико-хими­ ческие, механические и эксплуатационные свойства КМ опреде­ ляются природой исходных материалов, их составом, гетероген­ ностью структуры и прочностью связей на границе раздела фаз, дисперсностью и соотношением фаз, микро- и макроструктурой, технологией получения КМ и изделий. Граница раздела фаз — переходный слой —в КМ рассматривается как самостоятельный элемент структуры, в которой формируется связь между упроч­ няющей фазой (дисперсными частицами, волокнами и т. п.) и матрицей. От совершенства этих связей зависят степень сопро­ тивления материала хрупкому разрушению, его пластичность.

Название КМ определяется материалом матрицы. КМ с ме­ таллической матрицей называют металлическими КМ, с поли­ мерной —полимерными (ПКМ), с неорганической —неорганиче­ скими КМ.

КМ, содержащие два или более различных по составу или природе типа армирующих элементов, называются полиармировапными. Они разделяются на простые, если армирующие эле­ менты имеют различную природу, но одинаковую геометрию (на пример, стеклоуглепластик —полимер, армированный волокнами

стекла и углерода), и комбинированные, если армирующие эле­ менты имеют различную природу и геометрию (например, КМ, состоящий из алюминиевой матрицы, борных волокон и прослоек из титановой фольги).

В соответствии с исходными упрочняющими элементами (по­ рошки или гранулы, волокна, пластины) КМ подразделяются на порошковые, волокнистые и пластинчатые. К первой группе от­ носятся дисперсноупрочненные КМ, КМ типа псевдосплавов и другие композиции, получаемые из смесей порошков, ко второй — КМ, армированные непрерывными и дискретными волокнами (на­ пример, композиция алюминий — борное волокно), к третьей — упрочненные непрерывными и дискретными пластинами (напри­ мер, слоистые КМ, представляющие собой набор из чередующих­ ся слоев фольги из стали, алюминия и титана). Максимальный размер дискретных волокон и пластин в материалах второй и третьей групп соизмерим с размерами образца КМ.

Как уже было сказано, композиционные материалы имеют ориентированную структуру и по своей природе являются гетеро­ генными. Разделение композиционных материалов по структур­ ным признакам на группы позволяет выявить их принципиаль­ ные различия.

1. У волокнистых и слоистых композиционных материалов несущим элементом является армирующее волокно, проволока, фольга (фаза-упрочнитель). Армирующие элементы имеют высо­ кую прочность, весьма высокий модуль упругости и, как прави­ ло, сравнительно низкую плотность.

2. В дисперсноупрочненных материалах, наоборот, несущим элементом является матрица, в которой с помощью ультрадисперсных частиц и однородной дислокационной структуры созда­ ется эффективное торможение дислокаций вплоть до температу­ ры начала плавления.

В волокнистых композициях матрица скрепляет волокна или другие упрочняющие элементы в единый монолит, защищая их от повреждений. Матрица является средой, передающей нагрузку на волокна, а в случае разрушения отдельных волокон перераспре­ деляет напряжения. Кроме того, ее механические свойства опре­ деляют поведение материала при сдвиге, сжатии и усталостном разрушении.

Особенность волокнистой композиционной структуры за­ ключается в равномерном распределении, с повторяющейся гео­ метрией, высокопрочных и высокомодульных волокон в пла­ стичной матрице, содержание таких волокон может колебаться от 15 до »75 % (об.). В то же время в дисперсноупрочненных материалах оптимальным содержанием дисперсной фазы счи-

тается 2—9 % (об.). Кроме того, ультрадисперсные частицы в указанных материалах, в отличие от непрерывных и дискретных волокон в волокнистых композициях, создают только ’’косвен­ ное” упрочнение, т. е. благодаря их присутствию стабилизирует­ ся структура, формирующаяся при деформационной термической обработке.

Поверхности раздела в волокнистых и слоистых КМ можно рассматривать как самостоятельный элемент структуры, причем правильнее было бы вести речь не о геометрической поверхности раздела, а о прилежащей к поверхности раздела области, в кото­ рой протекают процессы растворения, образования и роста новых фаз, перераспределения примесей и т. д. В переходном слое формируется связь между упрочняющими волокнами и матрицей, через которую передаются напряжения. От совершенства указан­ ной связи зависят условия торможения трещин. Другими слова­ ми, переходный слой определяет уровень свойств волокнистых и слоистых композиционных материалов.

В днсперсноупрочнснных материалах, предназначенных глав­ ным образом для работы при высоких температурах, компо­ ненты выбирают с позиции минимального взаимодействия ме­ жду собой.

Возможность регулирования структуры и управления качест­ вом переходного слоя, схемой армирования и др. позволяет соз­ давать новые материалы с различным спектром требуемых свойств.

В волокнистых и слоистых композиционных материалах, компоненты которых выбирают с учетом оптимального взаимо­ действия, структура формируется искусственно при изготовлении материала в процессе намотки, укладки волокон или их дефор­ мации. В эвтектических сплавах с направленной структурой по­ следняя формируется подобно традиционным сплавам в процессе кристаллизации. Такие системы называют естественными компо­ зиционными материалами, так как упрочняющая фаза в них кри­ сталлизуется из расплава в виде нитевидных кристаллов. По виду структура этих материалов мало отличается от структуры волокнистых и слоистых композиций, полученных путем искус­ ственного сочетания матрицы и упрочнителя. Кроме того, упрочнители в эвтектических композициях — иголки и пластинки — практически не отличаются по механическим свойствам от ните­ видных кристаллов (усов), имеющих уникально высокие механи­ ческие свойства. Особенностями структуры эвтектических компо­ зиционных материалов являются исключительно хорошее сопря­ жение матрицы с упрочнителем, а также высокая структурная стабильность.

В волокнистых композиционных материалах правильно вы­ бранная технологическая схема и соблюдение режимов их полу­ чения оказывают существенное влияние на формирование струк­ туры и свойств. Технологический процесс должен обеспечить рав­ номерное распределение волокон при заданном их объемном содержании; они должны быть изолированы между собой слоем матрицы. При использовании хрупких волокон (борных, углерод­ ных, карбида кремния и др.) целесообразно применять при изго­ товлении изделий методы осаждения матриц из жидкого или газо­ образного состояния, в то время как в случае применения метал­ лической проволоки более приемлемы методы деформационного уплотнения (прокатка, экструзия) пли взрывного прессования.

Среди важнейших технологических факторов (температура, время и др.) особое место занимает давление при изготовлении деталей методом пропитки матричным расплавом каркаса арми­ рующих волокон.

Предел прочности композиций, армированных волокнами уг­ лерода и карбида кремния, в зависимости от давления при про­ питке изменяется по кривой с максимумом. Давление необходимо для обеспечения полной пропитки детали и создания минималь­ ного взаимодействия, достаточного для достижения оптимальной прочности связи волокна с матрицей.

При оптимальных режимах изготовления КМ реализуется, как правило, и оптимальная степень физико-химического взаимо­ действия компонентов. Механизм разрушения полученной компо­ зиции определяется в основном прочностью самих армирующих волокон, причем вследствие возросшей прочности связи матрицы с волокнами разрыв отдельных волокон не сопровождается от­ слоением их от матрицы. Разорванные волокна продолжают не­ сти нагрузку (за исключением участков вблизи обрыва), т. е. осуществляется локализация разрывов волокон.

При реализации указанного механизма разрушения формиру­ ется развитая щеповидная поверхность излома, образованная со­ вокупностью зон разрушения отдельных волокон или пх ком­ плексов и зон разрушения по границе раздела компонентов; в этом случае область разрушения матрицы и волокна растянута вдоль оси образца. Композиционный материал в таком состоянии обладает оптимальными механическими свойствами.

Одним из важных технологических факторов, определяющих уровень задаваемых свойств в различных зонах конструкции с учетом напряженного состояния, является схема армирования, т. е. расположение армирующих волокон в композиционном ма­ териале: одноосное (линейное), двухосное (плоскостное) и трех­ осное (объемное).

ются слоистые материалы, например композиции, состоящие из чередующихся слоен титана и алюминия или их сплавов.

Признак Б. По расположению компонентов (схеме армирова­ ния) композиционные материалы также могут быть разделены на три группы.

1.Композиции с одноосным (линейным) расположением ар­ мирующего компонента, составляющие которого в виде волокон, проволок или ориентированных цепочек нитевидных кристаллов распределяются в матрице параллельно друг другу.

2.Композиционные материалы с двухосным (плоскостным) расположением армирующего компонента, составляющие которо­ го в виде волокон, фольги, матов из нитевидных кристаллов и

т.п. расположены в матрице в плоскостях, параллельных друг другу. Такая схема армирования может быть реализована с по­

мощью одномерных или двухмерных компонентов. Двухосная схема армирования нульмерными компонентами возможна в тех случаях, когда критическое содержание армирующего компонента

вматериале менее 15—16 %.

3.Композиционные материалы с трехосным (объемным) рас­ положением компонентов, когда невозможно выделить одно или два преимущественных направления в материале.

Признак В. По природе компонентов композиционные мате­ риалы разделяют на четыре группы: 1) с компонентом из метал­ лов и сплавов; 2) с компонентом из неметаллических элементов (например, углеродом); 3) с компонентом из неорганических со­ единений (оксидами, карбидами, нитридами и т. п.); 4) с компо­ нентом из органических соединений.

Для полной характеристики композиционного материала не­ обходимо указать природу каждого из его компонентов. Так, на­ пример, композиционный материал углерод —углерод относится по природе матрицы к группе композиций с матрицей из неме таллических элементов, по природе армирующего компонента —к группе композиций со вторым компонентом из неметаллических элементов. Углепластики относятся по природе матрицы к группе композиционных материалов с матрицей из органических соеди­ нений, по природе армирующего компонента — к группе со вто­ рым компонентом из неметаллических элементов.

Дополнениями к рассмотренным группам являются полмматричные и полнармированные композиционные материалы (рис. 7.2).

Полиматричные КМ состоят из чередующихся слоев двух или более композиций с матрицами различного химического соста­ ва. Полнармированные КМ содержат два или более различных по состав)^ армирующих компонента, равномерно распределенных