Изготовления композиционного

Способы устранения отрицательных особенностей. Использование высокомодульных волокон. В целях увеличения жесткости композиционных .материалов ведутся интенсивные работы по созданию высокомодульных волокон. Наиболее распространенными в настоящее время высокомодульными волокнами, применяемыми в качестве арматуры для изготовления композиционных материалов, являются волокна бора, углерода, карбида кремния, бериллия, модуль упругости которых в 5 раз и более превышает модуль упругости стекловолокон [20, 33, 102]. Большой практический интерес вызывают также органические волокна типа PRD-49 Kevlar [113], удельная прочность и жесткость которых в 2—3 раза выше аналогичных характеристик стекловолокон [59, 113]. Появление волокон Kevlar вызвано стремлением создать легкие высокомодульные и высокопрочные волокна со стабильными свойствами при действии динамических нагрузок, резких изменений температуры и условий эксплуатации.

соответствующие характеристики однонаправленных и ортогонально-армированных композиционных материалов. Применение трехмерноармированных тканей для изготовления композиционных материалов позволяет на порядок

и некоторым видоизменением схем армирования, представленных на рис. 1.2, е. Применение подобных схем для изготовления композиционных материалов открывает возможность в широких пределах варьировать их механические свойства. Изменение характеристик может осуществляться за счет изменения соотношения и объемов прямолинейных и искривленных волокон, уложенных соответственно в направлениям осей х(\) и{/(2), атакжепри-менения волокон различной жесткости. При укладке в направлении оси х (1) прямолинейных волокон объемом 0,5цг и волокон, искривленных под углом 40° к оси 1 (см. рис. 1.2,е) объемом O.Sfij, композиционные материалы обладают значительно большими значениями модулей упругости ?\ и Е3, чем материалы, у которых все волокна направления 1 объемом щ искривлены на угол 40°. Модуль сдвига G13 последних несущественно выше, чем у композиционных материалов, армированных, по схеме рис. 1.2, а. Такие модифицированные схемы армирования весьма эффективны при одновременном использовании волокон различной жесткости и прочности (схемы плетения тканей показаны на рис. 4.3).

Технология производства этих материалов изучена мало и базируется на опыте создания трехмерноармирован-ных материалов на основе полимерной матрицы [92, 109, 111]. Суть процесса изготовления композиционных материалов класса углерод-углерод состоит в создании армирующего каркаса, введении в каркас матрицы с последующим уплотнением, карбонизацией и графитизацией [109].

6.5. Характеристики тканей и каркасов из них для изготовления композиционных материалов на основе углеродной матрицы [111]

ПРИБЛИЗИТЕЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ * [1]

опубликованы работы по отдельным вопросам этой проблемы: В. С. Иванова, И. М. Копьев и др. «Упрочнение металлов волокнами», 1973 г.; К- И. Портной, Б. Н. Бабич «Дисперсноупрочнен-ные материалы», 1974 г.; А. И. Колпашников, В. Ф. Мануйлов, Е. В. Ширяев «Армирование цветных металлов и сплавов волокнами», 1974 г.; А. М. Сомов, М. А. Тихоновский «Эвтектические сплавы», 1975 г. и др. Издательство «Академик Пресс» (США) выпустило в 1974—1975 гг. 8-томное издание по композиционным материалам, переведенное на русский язык, в котором довольно подробно изложен опыт американской промышленности в области технологии изготовления композиционных материалов и конструкций из них.

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.

Рис. 48. Последовательные стадии изготовления композиционных материалов методом вакуумно-компрессионной пропитки:

Основные параметры технологии изготовления композиционных материалов, пределы прочности плоских и кольцевых

В целом, однако, технологическому процессу изготовления композиционных материалов диффузионной сваркой под давлением присущи все основные показатели, характеризующие собственно процесс диффузионной сварки двух деталей, такие как подготовка соединяемых контактирующих поверхностей, нагрев соединяемых элементов, приложение к ним давления, необходимая выдержка при этих условиях и др.

вследствие предварительной термообработки матрицы [24] или других технологически* приемов. При создании таких материалов основной каркас образуется непрерывными волокнами, лентой или тканью. Особенность этих материалов заключается в характере расположения нитевидных кристаллов или дискретных элементов относительно направления основной арматуры и в способе их соединения с волокнами. Указанная особенность обусловлена выбором технологического режима изготовления композиционного материала [24].

Композиционные материалы. Представление о влиянии этапов графитизации и числа циклов уплотнения на формирование свойств композиционных материалов дает табл. 6.14. Исследования выполнены на ортогонально-армированных материалах с распределением волокон в направлении осей х, у, z в соотношении 1:1:2. В качестве арматуры были использованы высокопрочные (2,38 ГПа) и высокомодульные (517 ГПа) волокна Торнел 75 (плотность армирующего каркаса составляла 0,75 г/см3). Исходной матрицей служила фенольная смола. Технологический процесс изготовления композиционного материала

технологическими параметрами изготовления композиционного материала, но и типом исходной полимерной матрицы. Последняя оказывает существенное влияние на характер адгезионных связей между волокнами. Так, при использовании в качестве исходной матрицы связующего 5-211Б связь между волокнами вследствие обуглероживания создается за счет кристалликов кокса, хаотически распределенных между волокнами [24]. Выход кокса для этого связующего составляет 35 % при плотности кокса

При оптимальных режимах изготовления композиционного материала реализуется, как правило, и оптимальная степень физико-химического взаимодействия компонентов; механизм разрушения полученной композиции определяется в основном прочностью самих армирующих волокон, причем вследствие возросшей прочности связи матрицы с волокнами разрыв отдельных волокон не сопровождается отслоением их от матрицы, так что разорванные волокна продолжают нести нагрузку (за исключением участков вблизи обрыва, длина которых меньше критической), т. е. осуществляется локализация разрывов волокон.

Принцип саморегулируемого вакуума был применен для изготовления композиционного материала магний — бор методом пропитки [171 ]. В основе этого принципа лежит взаимодействие расплавленного магния с воздухом в закрытом контейнере и образование при этом разрежения, способствующего заполнению контейнера расплавленным металлом. При погружении открытого конца герметичного контейнера ниже уровня расплавленного металла магний взаимодействует с кислородом, азотом и углекислым газом, входящими в состав воздуха. Поскольку продукты реакции являются твердыми веществами имеют пренебрежимо малое давление паров при температуре реакции, в контейнере генерируется вакум. Ракция идет до тех пор, пока весь воздух в контейнере не будет связан, и, таким образом, в контейнере создается почти абсолютный вакуум. Весьма важным при этом является то, что, продолжая взаимодействовать с воздухом, остающимся в порах, образование которых возможно в начальной стадии заполнения формы, магний полностью заполняет форму. Магний является почти единственным из металлов, который можно заливать по методу самогенерируемого вакуума в формы сложной конфигурации, предназначенные для отливки деталей с очень тонкими стенками. Одним из преимуществ метода самогенерируемого вакуума является его сравнительная простота, а также

Среди других факторов можно рассматривать такие, как способность матрицы композиционного материала передавать напряжения от волокон, разрушившихся при малых напряжениях, на соседние, более прочные волокна; степень деградации волокон в процессе изготовления материала либо в результате их поломки, либо из-за химического взаимодействия; остаточные напряжения, возникшие в процессе изготовления композиционного материала.

Образцы композиционных материалов с матрицей из алюминия, легированного 12% кремния (№ 5, 10) и 35% магния (№ 6), упрочненной композиционной лентой из борного волокна, покрытого нитридом бора и пропитанного алюминием, имели малую прочность и низкий коэффициент эффективности матрицы. При этом коэффициент р образцов с алюминиевой матрицей, легированной 35% магния, имеющей более низкую температуру плавления, был несколько выше по сравнению с силуминовой матрицей. В образцах в состоянии после литья он достигал 0,75. Судя по уровню прочности этих образцов (№ 6), матрица, заключенная между слоями ленты, имеющая после литья грубые дефекты, практически не несет нагрузки, и вклад в прочность композиции вносит только композиционная лента. Если учесть, что максимальная температура, действию которой подвергались волокна в процессе изготовления композиционного материала, не превышала 450°С и они были защищены от действия расплава матрицей из алюминия, входящей в состав композиционной ленты, то фактически все повреждения, которые можно было наблюдать на волокнах, являлись результатом процесса пропитки волокон расплавом при получении ленты. Это соображение подтверждается опытом по гомогенизации образцов с матрицей из алюминия с 35% магния после пропитки (партия № 7). Образцы, подвергавшиеся гомогенизации при температуре 400° С в течение 70 ч, показали прочность 70 кгс/мм2, что на 15,5 кгс/мм2 выше прочности образцов в состоянии после литья. Повышение прочности является следствием улучшения свойств матрицы, повышения ее способности передавать напряжения от разрушенных волокон к более прочным волокнам. Гомогенизация повышает коэффициент эффективности матрицы при содержании 37 об. % волокна от 0,75 до 0,93, причем эти цифры характеризуют величину полного разрушения волокна, обусловленного всем технологическим циклом, включающим процесс нанесения покрытия из нитрида бора, получение ленты методом протяжки через расплав алюминия и процесс окончательной пропитки.

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.

Необходимость пластической деформации в процессе изготовления композиционного материала связана со значительным повышением технологических параметров процесса — температуры, давления и времени выдержки при прессовании по сравнению с аналогичными параметрами процесса соединения диффузионной сваркой двух деталей.

Динамическое горячее прессование. Этот процесс, относящийся к категории импульсных методов формирования и называемый за рубежом процессом формования с применением высоких скоростей и энергий, применялся первоначально для прецизионной ковки металлических слитков в изделия сложной формы. Изготовление композиционных материалов этим методом заключается в диффузионной сварке пакета предварительной заготовки, нагретого до необходимой температуры, в результате кратковременного приложения очень больших давлений. Динамическое горячее прессование предварительных заготовок может осуществляться на ковочных молотах и подобных им установках в специальных пресс-формах или в вакуумированных пакетах. Одна из таких установок, применявшаяся для изготовления композиционного материала на основе титанового сплава Ti—6% Al—4%V, упрочненного волокном карбида кремния, описана в работе [223]. Эта пневмомеханическая установка динамического прессования, внешне похожая на молот, имеет значительно более высокий уровень энергии падающих частей. Пуансон в ней прикреплен к раме массой 1 т. Рама, выстреливаемая давлением газа, толкает пуансон в закрытую матрицу. Скорость падения пуансона составляет

Алюминий — стальная проволока. Технология изготовления композиционного материала алюминий — стальная проволока описана в работе [179]. Материал получали прессованием пакета, состоящего из чередующихся слоев фольги алюминиевого сплава 2024 и проволоки диаметром 0,2 мм из коррозионно-стойкой стали 355 по следующему режиму: температура 480—495° С, давление 1000 кгс/сма и выдержка- в этих условиях 20 мин. Таким образом изготовляли листы шириной 0,3 м, длиной до 2,4 м и толщиной от 1 до 35 мм. При прочности проволоки 337— 365 кгс/мм2 предел прочности композиционного материала после дополнительной прокатки с небольшой степенью обжатия составлял 121—124 кгс/мм2.