книги / Новые материалы и технологии.-1

схема получения борных волокон. Вольфрамовая нить сматы­ вается с подающей катушки и с малой скоростью протягивается через реактор. Длина реактора составляет около 2 м, в нем идет химическая реакция

Выделенный атомарный бор осаждается на разогретой вольфрамовой нити. Процесс осаждения низкопроизводитель­ ный: получают около 900 г волокон за неделю.

Рассмотрим технологию получения бороалюминиевого композита. Здесь важным является этап совмещения армирую­ щих волокон с матричным материалом. Это совмещение можно осуществить по-разному:

•в твердофазном состоянии;

•в жидкофазном состоянии матрицы;

•осаждением (напылением) матрицы. Для твердофазного ме­

тода характерно использова­ ние матрицы в виде порошка, тонкого листа (фольги). Про­ цесс совмещения заключает­

ся в выкладке пакета чере­

Соединение в монолитный композит осуществляется пла­

стическим прессованием со спеканием (диффузионной сваркой). Прессование проводится мягко, с небольшой скоростью при температуре 550 °С, давлении 50... 100 МПа, с последующей

Рис. 23. Схема плазменного напыления ци­ линдрической заготовки: / - плазмотрон; 2 - оправка; 3 - борные волокна; 4 - напы­ ляемая матрица; 5 - радиальная подача;

б- продольная подача; ш - вращение оправки

Внастоящее время на базе металлургических производств организован выпуск полуфабрикатов в виде листов, труб, стержней и различных профилей (см. рис. 22).

Сложность технологии и высокая стоимость материала ограничивают применение этих композитов. В основном МКМ используют в авиационной, ракетной и космической технике. Из бороалюминиевого композита изготавливают горизонтальные и вертикальные стабилизаторы, рули, обшивки крыльев, ланжероны, стрингеры, подкосы шасси, лопасти вертолетов, силовые балки самолетов и вертолетов, стержневые конструкции. За счет применения МКМ удается снизить вес этих изделий на 15...40 %, что очень ценно для летательных аппаратов. Одни из перечисленных деталей уже применяются серийно, другие на­ ходятся на стадии внедрения. Подробнее технологии МКМ и их применение рассмотрены в работе [3], которую очень полезно использовать при изучении КМ.

Это новый КМ конца XX века. Углерод-углеродный ком­ позиционный материал (УУКМ) занимает особое место среди композитов, что объясняется особенностями его технологии и уникальными свойствами. Данный материал содержит два ком­ понента: волокна и матрицу, состоящие из одного и того же хи­ мического элемента - углерода, отличающегося своей тепло­ стойкостью. Это и предопределяет его основные свойства:

•уникальную термическую стойкость: рабочая темпера­ тура изделий из УУКМ до 1800...2500 °С, предельная кратко­ временная температура до 3500 °С;

•способность сохранять при высокой температуре исход­ ные значения прочности и модуля упругости;

•устойчивость к термоударам (допускает перепады до

1000 °С на 1 см толщины композита;

•высокую эрозионную стойкость;

•химическую инертность, биологическую совместимость;

•низкую плотность по сравнению с плотностью туго­ плавких металлов;

•высокую ударная вязкость;

•низкий коэффициент линейного температурного расши­ рения (всего (1... 3 • 1(Г6 ) 1/град).

Армирующий элемент - углеродные волокна - применяют

ввиде нитей, жгутов, стержней, лент, тканей, пряжи, трикотажа, плетеных или вязаных каркасов. Материалом для матрицы слу­ жат фенольные смолы, каменноугольные и нефтяные пеки, а также пироуглерод.

УУКМ получают тремя способами:

•жидкофазным - пропиткой углеродной заготовки смо­ лой или пеком с последующей карбонизацией и графитацией;

•газофазным осаждением углерода на каркас;

•комбинированным, сочетающим два предыдущих метода. Доходчиво и подробно эти методы изложены в работе [4],

там же рассмотрены структуры, свойства и механика углеродуглеродных композитов. Ознакомимся кратко с технологиями УУКМ.

7.1. Жидкофазный метод

Основными этапами этой Технологии являются:

•формование исходной углепластиковой заготовки или углеродного каркаса;

•пропитка углеродного каркаса смолой или пеком;

•карбонизация заготовки;

•повторение пропитки и карбонизации (при необходи­

мости);

•графитация, с упорядочиванием молекулярной струк­ туры (по типу графита).

Углепластиковую заготовку получают намоткой или вы­ кладкой, а иногда и комбинируя эти способы. В качестве свя­ зующего берут смолу с повышенной способностью к коксова­ нию. Используют в основном фенолформальдегидные связую­ щие (коксовое число около 75 %). После отверждения заготовка поступает на карбонизацию в специальные термопечи. Процесс проходит при высокой температуре (примерно 800 °С), при этом горючие вещества выгорают из связующего и остается один кокс (углерод). В печи обеспечивают инертную среду (азот),

осуществляется в процессе осаждения углерода, получаемого пиролизом природного газа (метана). При нагреве метан разла­ гается с образованием атомарного углерода:

Процесс происходит в специальных печах. Каркас разме­ щают в печи на подставке и прогревают до температуры 1000 °С, одновременно создавая условия вакуума. Схема про­ цесса приведена на рис. 26.

Рис. 26. Схема печи для осаждения пироуглерода на каркас УУКМ: 1 - корпус камеры; 2 - индукци­ онный нагреватель; 3 - графитовый сердечник; 4 - выход Н2; 5 - углеродный каркас обтекателя; 6 - вход СН4 (метана)

Атомарный углерод заполняет объем печи и начинает осаждаться на поверхности углеродных волокон каркаса. Про­ цесс этот по времени длительный: пироуглерод слой за слоем ложится на волокна, пустоты за счет этого постепенно умень­ шаются и заполняются полностью. Различают два метода осаж­ дения пироуглерода:

•изотермический;

•термоградиентный.

При изотермическом методе весь объем заготовки равно­ мерно прогрет при одинаковой температуре, поэтому процесс осаждения углерода идет одновременно и равномерно по всему объему каркаса.

При термоградиентном методе каркас прогревается изнут­ ри, и здесь начинается осаждение углерода. Периферийные уча­ стки каркаса в это время не прогреты, там осаждения пока нет. С течением времени середина каркаса заполняется матрицей, а за­ тем фронт этого процесса перемещается постепенно на перифе­ рию, по мере прогрева каркаса до нужной температуры. Метод обеспечивает более равномерное заполнение матрицей всех уча­ стков каркаса, а также значительно сокращает длительность про­ цесса. Он эффективен для каркасов в виде тела вращения.

7.3. Комбинированный способ

Комбинированный способ заключается в последовательном применении двух вышерассмотренных методов к одной и той же заготовке. Эта технология более сложная и длительная. Необхо­ димость ее применения обусловлена с тем, что при производстве крупногабаритных высоконагруженных изделий насыщение их пироуглеродом затруднено из-за возникновения в локальных уча­ стках замкнутых пор. Комбинированный способ позволяет ис­ ключить этот недостаток и получить монолитный плотный ком­ позит. Способ предусматривает следующие этапы:

• осаждение на «сухой» • каркас пироуглерода с частич­ ным заполнением пустот;

•пропитку заготовки пеком под давлением 5... 10 МПа при температуре 200...250 °С;

•карбонизацию при температуре около 800 °С;

•графитацию при температуре 2500 °С;

•2...3 цикла повторения предыдущих этапов;

•повторное осаждение пироуглерода.

Врезультате удается получить качественный УУКМ с вы­ сокой плотностью, около 1,95...2 г/см3, что очень важно для высоконагруженных крупногабаритных изделий.

7.4. Свойства УУКМ и области его применения

Частично эти вопросы были затронуты в предыдущих раз­ делах. Здесь приведем дополнительные данные, относящиеся к указанной теме. В табл. 7 приведены основные физико-механи­ ческие характеристики УУКМ (усредненные), для сравнения взят промышленный графит марки ВПП (высокоплотный и прочный).

Таблица 7

Физико-механические характеристики УУКМ и графита

Анализ данных в табл. 7 показывает, что новый компози­ ционный углеродный материал (УУКМ) по всем прочностным показателям намного превосходит ранее разработанный графит