Изготовления композиции

Сложность оценки эффективности композиционных материалов проявляется уже при рассмотрении различных марок стекло-пластиковых материалов. Помимо перечисленных в полном каталоге крученых волокон с различными прядением и относительным распределением волокон в основе и в утке, для изготовления композиций применяют еще и ровницу, маты из рубленого волокна и множество матричных материалов.

— процессов изготовления композиций 470

Взаимодействие наиболее эффективно протекает в композиционных материалах в процессе нагрева при их изготовлении, особенно жидкофазными способами, поэтому в ряде случаев предпочитают применять твердофазные технологические процессы, при которых в связи со сравнительно низкими температурами нагрева диффузия в значительной мере замедлена. Уменьшения взаимодействия матрицы с упрочнителем можно добиться разработкой высокоскоростных и низкотемпературных методов изготовления композиционных материалов. К таким методам изготовления композиций, при которых не успевают проходить диффузионные процессы и взаимодействие в такой мере, чтобы повлиять на снижение свойств, относятся взрывное прессование слоистых и волокнистых композиций [12], гидродинамическое горячее прессование [84 ] и другие методы твердофазного изготовления, например, композиционных материалов с никелевой матрицей, армированной вольфрамовой проволокой. Одним из наиболее прогрессивных методов изготовления композиционных материалов с металлическими волокнами является динамическое горячее прессование, при котором уплотнение волокнистых и слоистых композиций происходит под действием ударной нагрузки в течение долей секунды.

Одна из установок, применяемых для изготовления композиций с углеродным волокном, схема которой приведена на рис. 50, представляла собой две графитовые формы, помещенные в индуктор, разделенные прокладкой и сжатые по концам специальными крышками, обеспечивающими необходимую герметичность. В нижнюю форму помещали пучок графитовых волокон длиной 20—40 см, а верхнюю — металл для пропитки. Пропитка осуществлялась в результате расплавления металла матрицы в индукторе и по-

Схема технологического процесса, применяемого для изготовления композиционного материала алюминий — углеродное волокно, приведена на рис. 51. Для изготовления композиций использовали заготовки из чередующихся слоев матрицы и волокна. Заготовки помещали в металлический контейнер, который продували аргоном, а затем вакуумировали. Контейнер помещали между обогреваемыми плитами пресса и, при достижении температуры 600° С, измеряемой закрепленной в контейнере термопарой, сжимали под давлением 140 кгс/см2.

Алюминий — углеродное волокно. Основным технологическим приемом получения композиционных материалов алюминий — углеродное волокно, наиболее часто применяемым в настоящее время, следует считать пропитку каркаса из углеродных волокон расплавом алюминиевой матрицы. Однако наряду с этим методом некоторые исследователи применяли для изготовления композиций методом диффузионной сварки под давлением [1, 156, 176, 184]. Так, в работах [23, 156] описан технологический процесс получения композиционного материала методом горячего прессования в вакууме углеродных волокон различных марок, на которые методом разложения триизобутила было нанесено покрытие из алюминия.

Серебрение. Серебрение углеродных волокон и нитевидных кристаллов используют лишь в качестве промежуточной операции в процессе изготовления композиций на металлической основе для улучшения адгезии упрочнителей с матрицей [22].

5. Размер и форма волокон. Для композиционных материалов с металлической матрицей в случае изготовления в твердом состоянии предпочтительны волокна круглого сечения и большего диаметра. Эти волокна значительно проще внедрять в металлическую матрицу композиционного материала посредством пластической деформации. В то же время, обладая меньшей поверхностью, они менее реакционноспособны при использовании методов изготовления композиций, связанных с применением жидкого металла.

состоит слоистый композиционный материал (температуры плавления, пластичности, соотношения толщин основного и плакирующего металлов), в этой главе не представляется возможным дать полное описание всех технологических приемов изготовления композиций.

Методы, использованные для изготовления композиций на основе никеля, упрочненного нитевидными кристаллами сапфира, включали пропитку жидким расплавом [47], метод порошковой металлургии с предшествующим электролитическим осаждением

Прочность сапфировых волокон Тайко диаметром 0,25 мм на растяжение, а для стержней большего диаметра (3,2 мм) на сжатие для двух главных кристаллографических ориентации показана на рис. 6, 7 [14]. Довольно значительное снижение прочности волокон на сжатие при повышенных температурах, несомненно, является одной из трудностей изготовления композиций с этими волокнами. Все волокна Тайко, использованные в работах, которые рассматриваются в данной главе, были С-волокнами, т. е. с направлением <0001 > вдоль оси волокна. Пластическое течение в сапфире при повышенных температурах может происходить по механизмам скольжения и деформационного двойникования [13, 17]. Базисное скольжение легко идет при температурах выше 900° С в образцах, ориентированных соответствующим образом относительно направления напряжений. Пламенно-полированные кристаллы, получаемые по Вернейлю, как правило, имели ориентацию, при которой базисные плоскости располагались под углом около 30° к оси стержня; поэтому базисное скольжение обычно наблюдали при изгибе стержней (или при растяжении и сжатии параллельно оси стержня) при температурах

процентном соотношении. При этом следует отметить, что достижение наиболее плотной упаковки алмазных частиц наблюдается на начальной стадии изготовления композиции. Согласно этому, частицы мелкой фракции должны располагаться в промежутках между частицами более крупной.

Потеря прочности волокон и композиционного материала по сравнению с расчетными значениями иногда достигает 30%; например, по данным 1[120] волокна'карбида кремния, экстрагированные из титанового композиционного материала системы титан-карбид кремния, имеют предел прочности 210 кгс/мм2 вместо предела 320 кгс/мм2, измеренного до изготовления композиции. Наиболее существенными причинами указанного снижения свойств является химическое взаимодействие на границах раздела матрица—волокно и волокно—подложка. Причем первое имеет превалирующее значение, т. е. наиболее существенное снижение свойств наблюдается в результате растворения, образования новых фаз, охрупчивания и прочих процессов, протекающих на границе раздела матрицы с волокном.

При выборе материалов для изготовления композиции, подвергающейся периодическим нагревам и охлаждениям, учитывают роль термических и трансформационных напряжений. В работе [112] принимаются следующие необходимые условия: 1) отсутствие фазовых превращений в любом элементе композиции, 2) коэффициент термического расширения основы должен быть больше, чем у волокна, 3) модуль сдвига волокна — больше, чем у основы. Этим требованиям удовлетворяют композиции, в которых упроч-нителем служат тугоплавкие металлы (W, Mo, Mb) или сплавы на их основе, а связующей основой являются сплавы на основе никеля, титана и другие окалиностойкие материалы [70, 120, 170]. Высокопрочное состояние упроч-нителя достигается в результате предварительной холодной деформации, и оно сохраняется при нагревах до высоких температур. Однако тугоплавкие металлы обладают сравнительно малым коэффициентом термического расширения, и при изменении температуры в элементах композиции возникают термические напряжения.

знака, пока в нихроме не будет достигнут предел пропорциональности при растяжении, температурная зависимость которого характеризуется кривой 3 на рис. 85. Произойдет это при температуре Г2, для определения которой можно воспользоваться приведенным выше соотношением. При охлаждении до Гн (см. рис. 85) уровень напряжений в волокне и матрице будет определяться сопротивлением пластической деформации нихрома. Поскольку сопротивление сильно повышается с понижением температуры (табл. 12), в волокне на стадии охлаждения композиции возникают высокие напряжения сжатия. В последующих термоциклах по режиму 1100«i 600° С характер изменения напряжений в матрице и в волокне будет определяться соответственно кривыми / и 2 (рис. 86). Характер деформации описывается ломаной линией вгде (рис. 85). С упрочнением нихрома, вызванным технологическими операциями на стадии изготовления композиции, уровни напряжений и остаточных деформаций увеличиваются. С этим, по-видимому, связано интенсивное формоизменение композиции в начале циклической термообработки и уменьшение коэффициента роста в дальнейшем.

Таким образом, для высокопрочных волокон (большие значения ав) VKPHT оказывается меньше. Поэтому, если прочность волокон в процессе изготовления композиции понижается, критическая их доля возрастает и упрочнение может не наступить даже при VB « 0,2 -*- 0,4.

Основная роль матрицы, как указывалось, сводится к передаче касательных напряжений волокнам, что возможно в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующие усы — матрица. К сожалению, чистые металлы, как правило, не смачивают многие соединения типа карбидов, нитридов, окислов, боридов и т. д., т. е. как раз тот класс материалов, усы которых предполагается использовать в качестве наполнителей. Поэтому нитевидные кристаллы указанных соединений можно использовать только после предварительной обработки поверхности. Кроме того, возникает необходимость защиты поверхности хрупких нитевидных кристаллов от механических повреждений, которые легко возникают при манипулировании, а также при самом процессе изготовления композиции. Обеспечить смачивание и достаточно прочную связь можно, вводя в матрицу поверхностно активные примеси, понижающие натяжение на границе раздела твердой и жидкой фаз.

Дальнейшие исследования по созданию эффективных электромагнитных экранов будут посвящены повышению технологических характеристик материала на основе бутадиеннитрильного каучука, путем целенаправленной модификации его жидкими каучуками. Жидкий реакционное -пособный каучук на стадии изготовления композиции будет выполнять функцию межструктурного пластификатора, а затем, отверждаясь в процессе вулканизации, будет участвовать в формировании структуры электропроводной резины, модифицируя ее свойства.

[7, 43]. Несмотря на то, что метод пропитки расплавом оказался вполне приемлемым для матриц с низкой температурой плавления, таких, как алюминиевые [20, 21] или серебряные [47], было обнаружено, что указанный метод очень сложен для матриц на основе никеля и большинства практически важных никелевых сплавов. Трудности возникают вследствие того, что сапфир не обладает способностью спонтанно смачиваться жидким металлом; поэтому для обеспечения смачивания и облегчения изготовления композиции необходимо металлическое покрытие. Для пропитки алюминием или серебром поверхность сапфира покрывали более тугоплавкими металлами, т. е. никелем или нихромом [23], улучшающими смачивание; покрытия для этих целей наносили распылением. В случае пропитки никелевыми сплавами в качестве покрытий волокон необходимы более тугоплавкие металлы, однако скорость растворения этих металлов сильно ограничивает допустимое время пропитки.

Применение пламенно-полированных стержней к изучению системы Ш — А12О8 позволило преодолеть критическую фазу в разработке этого композиционного материала. Прочность индивидуальных стержней может быть легко определена как непосредственно после их изготовления, так и после частичной термообработки, взаимодействия и процесса изготовления композиции;

выше 900° С, как показано в табл. 2 [31]. Волокна Тайко, в которых базисные плоскости расположены перпендикулярно их оси, почти не деформируются в результате базисного скольжения при изгибе; однако могут легко деформироваться под действием напряжений сжатия, перпендикулярных оси волокна, как, например, в случае изготовления композиции диффузионной сваркой. Как указано ниже, начало пластической деформации ограничивает температуру и уровень напряжений, при которых волокна различных форм (ориентации) могут быть использованы в качестве эффективных упрочнителей.

Для полного анализа поведения покрытий в этих условиях необходимо подчеркнуть, что покрытие на волокне должно выполнять и другие функции, помимо основной — защиты волокна от взаимодействия с матрицей. Эти функции включают в себя обеспечение надлежащей связи на границе волокно — матрица для достижения оптимальных свойств композиции, а в случае жидкофазных процессов и обеспечение смачивания для облегчения процесса изготовления композиции. Покрытие, подходящее для защиты от химического взаимодействия (например, Y2O3), может не удовлетворять полностью всем дополнительным требованиям, поэтому в ряде исследований применяли двойные покрытия. Такие двойные покрытия состояли, например, из тонкого слоя вольфрама, напыленного на Y2OS, для облегчения последующих этапов изготовления материала, как это будет показано в следующем разделе.