Армированного углеродными

Наибольшее внимание привлекают алюминиевые сплавы, армированные волокнами из бора, углерода, нержавеющей стали и бериллия; титановые сплавы, армированные волокнами молибдена и бериллия, и никелевые сплавы, армированные волокнами вольфрама, молибдена и их сплавов. Данные о прочности некоторых волокон и армированных материалов приведены в табл. 156 и 157. Такие материалы наиболее перспективны для деталей, работающих в условиях, близких к одноосному растяжению, например лопаток турбин и компрессоров. Максимальные рабочие температуры этих материалов близки к температуре плавления матрицы. На рис. 465 в качестве примера показаны температурные зависимости прочности для алюминия, армированного стеклянными и кварцевыми волокнами. Для сравнения на графике приведены свойства дисперсноупроч'ненного алюминия и алюминиевого сплава. На рис. 466 показана макро- и микроструктура прутка из сплава нихром, армированного волокнами вольфрама (50%).

Перейдем теперь к. изучению вида матриц эффективных же-сткостей для одного частного класса симметрии материала, а именно предположим, что каждая материальная частица обладает единственной плоскостью упругой симметрии, нормальной к оси z. Это свойство называется моноклинной симметрией. Как и ранее, локальные коэффициенты жесткости могут меняться по толщине непрерывно или скачкообразно. Последнее характерно для большинства используемых в технике слоистых композитов, которые состоят из слоев армированного волокнами материала, причем волокна различных слоев лежат в параллельных плоскостях. Для моноклинной симметрии можно показать (Лех-ницкий [11]), что в рассматриваемом здесь случае (когда плоскость симметрии нормальна к оси г)

Для того чтобы получить другую модель, положим, что все пуассоновские точки вместе с их окрестностями принадлежат одному материалу. Можно считать, что этот материал заполняет круг радиуса г0 с центром в каждой точке, а остальная часть плоскости состоит из другого материала. Если rQ -С 1р, где 1р = [V/N]113 — среднее расстояние мгжду пуассоновскими точками, то мы имеем случай малой концентрации кругов в матрице. Однако при r0 ~ 0(1Р) в описанной выше модели многие круги перекрываются и модель не годится для описания материала с круговыми включениями. Чтобы получить модель такого материала, следует ввести правило, согласно которому круги, соответствующие соседним пуассоновским точкам, в случае необходимости смещаются так, чтобы они не перекрывались. Это, разумеется, относится к построению модели материала, армированного волокнами с круговыми поперечными сечениями. Форма включений не обязательно должна быть круговой; она может быть произвольной. Всю процедуру и в этом случае можно выполнить на ЭВМ, построив таким образом случайное поле е'(х).

а — при продольном нагружении композита, армированного волокнами Thornel-50; б — при поперечном нагружении того же композита; в — при продольном нагружении композита с высокой прочностью на растяжение; г — при поперечном нагружении того же композита [17].

Отправляясь от более низкой температуры (1093 °С), можно видеть (рис. 24, а), что для продолжительности нагружения, большей 8 час, волокна в композите теряют часть своей длительной прочности. Потеря почти постоянна и мала для более толстых проволок, а более тонкие быстро теряют свои прочностные качества. Для продолжительности нагрузки менее 30 час композит с более тонкими проволоками предпочтительнее композита, армированного волокнами с большим диаметром. Гораздо большая потеря свойств волокна в композите проявляется при 1204 °С (рис. 24, б). Интересно напомнить, что для армированной вольфрамом меди среднеквадратичная длительная прочность волокон, вычисленная из экспериментов на композите по той же самой фор-

Испытания на длительную прочность композитов с металлической матрицей, армированной волокнами бора, очень ограничены. В работе [66] осуществлены некоторые эксперименты на ползучесть и длительную прочность при растяжении композитов, изготовленных из алюминия 6061, армированного волокнами бора,

Сравнение усталостной прочности бороалюминиевых композитов, полученных при 450, 475 и 500 °С, и алюминия, армированного волокнами бора с покрытием карбида кремния (диффузионная сварка при 554 °С) (табл. V, рис. 1, 15—17), приводит к следующим обобщениям [23, 26]:

При комнатной температуре у однонаправленных композитов алюминия]2024, армированного волокнами бора с объемным со-держанием*40 % (диаметром 0,01 см), наличие водяного пара увеличивало скорость роста усталостных трещин и сокращало усталостную долговечность [49]. В ходе испытаний на знакопеременный изгиб композитные образцы колебались с постоянной амплитудой деформации и частотой, равной резонансной. Была получена тарировочная зависимость этой частоты от длины усталостной трещины, а затем изменения частоты были использованы для определения скоростей роста трещин. Испытывалось два типа образцов: один с волокнами, ориентированными вдоль, а другой с волокнами, ориентированными поперек оси образца. Для поперечной ориентации волокон чувствительность к водяному пару была наибольшей, в этом случае после введения паров воды в испытательную камеру скорость роста трещины увеличилась в 200 раз (рис. 20). Для алюминиевых сплавов было найдено, что усталостная долговечность изменяется под действием паров воды не более чем в 10 раз [49].

Цель автора — обрисовать в общих чертах при помощи простых средств основные принципы, необходимые для понимания инженерами-проектировщиками сущности композиционных материалов. Можно полагать, что представленные концепции применимы к конструкциям или элементам конструкций из пластиков, армированных непрерывными или короткими стеклянными или угольными волокнами; из бетона, армированного волокнами или стержнями; из металлов, армированных керамическими волокнами или частицами, металлической проволокой или лентой. Схемы армирования композитов могут быть одно-, двух- или трехмерными; некоторые из них уже применяются, другие находятся в стадии разработки.

Положительные результаты стендовых испытаний позволили в 1974—1975 гг. приступить к летным испытаниям турбовентиляторного двигателя, лопатки третьей ступени которого были полностью выполнены из боралюминия. Летные испытания проводились на самолете F-111B. Программа испытаний включала полеты самолета с двумя двигателями, оснащенными лопатками из композиционного материала. Лопатки были изготовлены из алюминиевого сплава 6061, армированного волокнами борсик. Замковая часть лопаток в виде «ласточкина хвоста» изготовлена из титана. Передняя кромка лопатки имела никель-кобальтовое покрытие, осажденное электрохимическим способом на готовую лопатку, предназначенное для защиты от повреждения посторонними предметами. Лопатки из композиционного материала на 40% легче вентиляторных лопаток, изготовленных из титана. Расчеты показывают, что применение этих лопаток позволит снизить массу двигателей на 15—20% [177].

Использование в конструкции американского планера F-106A алюминия, армированного волокнами бора, снижает его вес с 3860 до 2990 килограммов, т. е. на 23 процента. При этом вес фюзеляжа становится меньше на 28 процентов, крыльев — на 25, стабилизатора— на 38 и элеронов — на 11 процентов.

Королевское управление авиации и Британский железнодорожный технический центр провели эксперименты по изготовлению из композиционных материалов зубчатых колес для насосов систем смазки и охлаждения. В качестве примера на рис. 6 показано зубчатое колесо из армированного углеродными волокнами найлона. Армированные углеродными волокнами пластики перспективны для изготовления таких легких самосмазывающихся зубчатых колес. Процесс инжекционного прессования зубчатых колес из углеродных волокон и найлоновых гранул описан Филипсом и Уоттом (1970), отметившими, что «волокна вследствие малой плотности не могут быстро оседать в расплаве полимера и вытягиваются в направлении течения».

Рис. 6. Пример применения современных композиционных материалов — зубчатые колеса из армированного углеродными волокнами найлона; испытывались для насосов систем смазки и охлая«-дения перспективного пассажирского поезда. (Фотография предоставлена Королевским управлением авиации, Фарнборо, Англия).

Наиболее широкое применение в технике получили композиты, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят полимерные композиты на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, полиимидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами; металлические композиты на основе сплавов Al, Mg, Cu. Ti, Ni, Cr, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиты на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиты на основе керамики, армированные углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

Приведенные на рис. 5.5 данные получены при испытании на растяжение и кручение трубчатых образцов, изготовленных методом намотки. Как следует из рисунка, упругие свойства материала существенно зависят от направления ориентации волокон. В общем случае упругие свойства многослойного пластика, который состоит из однонаправленных слоев, раположенных различным образом, можно рассчитать, используя теорию слоистых пластиков [2] и зная упругие свойства отдельных слоев пластика. Кривые на рис. 5.5 рассчитаны с использованием данных об упругих свойствах однонаправленного материала, армированного углеродными волокнами.

твенно, минуя стадию получения полуфабриката. Однако при использовании армированных металлов открывается возможность изготовления изделий с заданными анизотропными свойствами. Поэтому необходимым становится этап производства полуфабрикатов. В настоящее время известен ряд методов промышленного производства полуфабрикатов алюминия, армированного углеродными волокнами. Например, фирмой Material Concept Inc. (США) разработан метод получения проволоки из углеродных волокон на поверхность которых алюминий или магний наносятся из расплава [1] ; фирма "Тохо бэсурон" (Япония) производит листовые материалы путем нанесения на углеродные волокна алюминия методом ионной металлизации (физического осаждения) [2] .

Рис. 7.2. Микрофотографии полуфабриката алюминия, армированного углеродными волокнами, в виде проволоки, полученной методом пропитки в расплавленном металле, а - внешний вид (увеличение х 50); б - поперечное сечение (увеличение хбО).

Рис. 7.3. Микрофотографии листового полуфабриката алюминия, армированного углеродными волокнами и полученного методом ионной металлизации, а - внешний вид (увеличение х 150); б - поперечное сечение (увеличение х 240).

В зависимости от геометрии и свойств полуфабрикатов, являющихся промежуточным материалом для получения армированных металлических изделий, используются различные методы формования металлов, армированных волокнами. Для армированного углеродными волокнами алюминия применяют методы горячего прессования (металлическая матрица остается в твердом состоянии), горячего вальцевания, горячей вытяжки и жидкофазного горячего прессования (металлическая матрица в процессе формования проходит стадию жидкого или жидкокристаллического состояния).

Вальцевание на горячих валках. Так как при вальцевании происходит пластическое течение металлической матрицы под действием высоких напряжений при контакте с валками, процесс формования композиционного материала можно вести с большой скоростью. В процессе горячего вальцевания ввиду кратковременности цикла переработки не требуется создания вакуума. Поэтому данный метод формования металлов, армированных волокнами, является дешевым. Изучается возможность его применения для формования изделий из армированного углеродными волокнами алюминия с использованием полуфабрикатов, полученных путем плазменной или ионной металлизации углеродных волокон

Горячая вытяжка. Этот метод разработан для производства прутков или трубчатых изделий из полуфабрикатов в форме проволоки [8] . Процесс вытяжки следует проводить таким образом, чтобы растягивающие напряжения были направлены в основном вдоль волокон, а изгибающие напряжения были минимальными или отсутствовали. Это дает возможность существенно уменьшить повреждения волокон и дефекты на границе раздела волокно-металлическая матрица. На рис. 7.4 показана общая схема метода горячей вытяжки стержней из композиционного материала на основе алюминия, армированного углеродными волокнами. Заготовку в виде проволоки вакуумируют в оболочке из нержавеющей стали. Вытяжку осуществляют, протягивая такую заготовку через волочильный глазок из карбида кремния, температура которого поддерживается на постоянном уровне, ниже температуры плавления металлической матрицы.

Рис. 7.4. Схема метода горячей вытяжки стержней из алюминия, армированного углеродными волокнами (воспроизводится с резрешения фирмы Fiber Materials Inc. ). 1— электрическая печь; 2 — глазок для волочения; 3 — полуфабрикате виде проволоки из алюминия, армированного углеродными волокнами, которая заключена в оболочку из нержавеющей стали.