Изготовлении материалов

раздела. В данной главе рассматриваются четыре вопроса: типы связи на поверхности раздела, стабильность поверхности раздела, кинетика реакций на поверхности раздела и их регулирование. Раздел о типах связи включает обзор механизмов образования связи и предложенную выше классификацию различных типов связи. Существенной характеристикой любого важного для практики композита является стабильность поверхности раздела. Поэтому далее будут рассмотрены различные виды нестабильности поверхности, а затем будет обсуждаться кинетика реакций. Исследование кинетики имеет первостепенное значение в связи с необходимостью регулировать реакции как в процессе изготовления материала, так и при его эксплуатации. В заключение рассматривается регулирование реакций на поверхности раздела, что необходимо для оптимизации процесса образования связи. Регулирование может означать как стимулирование, так и ослабление химического взаимодействия, формирующего связи в композите. Например, регулирование реакций может понадобиться для повышения стабильности поверхности раздела, уменьшения скорости реакции при изготовлении материала или для получения оптимальных механических свойств.

:Т'аким образом, в работе [47] описано поведение истинного композита, поскольку он обладает свойствами, которые не могут быть достигнуты в индивидуальных материалах, составляющих этот композит. Однако эти результаты, видимо, не зависят от прочности связи на поверхности раздела и могут быть получены также в случае малой прочности связи или ее отсутствия. Тем не менее, как сообщалось, прочность связи на сдвиг, измеренная посредством вытягивания волокон, оказалась значительной, вероятно, за счет обжатия проволоки матрицей при изготовлении материала.

Низкая прочность композитов во влажном состоянии может быть также связана с пористостью, образовавшейся в результате попадания воздуха в материал при его изготовлении. При действии нагрузки существование таких воздушных полостей приводит к появлению внутренних трещин и тем самым создается возможность проникновения влаги в материал. Наличие больших пустот, размеры которых в несколько раз превосходят размеры волокон, довольно частое явление в композитах, однако его можно избежать, принимая соответствующие меры лри изготовлении материала. Следует отметить, что образование микрополостей происходит при всех методах изготовления композитов в процессе пропитки связующим прядей волокна или ткани [9]. При умеренных скоростях пропитки смола не успевает полностью вытеснить воздух, находящийся между волокнами, и в материале остается большое количество воздушных пузырьков диаметром, сравнимым с диаметром волокна. Захват таких микропустот нельзя предотвратить, однако их количество можно существенно уменьшить [45]. Из табл. 4 видно, что при снижении содержания пустот значительно улучшаются усталостные характеристики композитов.

Из всего многообразия применяемых в данное время композиционных материалов системы металл—металл или металл—неорганическое вещество в зависимости от формы поверхности раздела могут быть выделены две основные группы: I — материалы матричного типа, состоящие из различным образом расположенных упрочняющих частиц или армирующих элементов, соединенных связующим веществом, и II — материалы слоистого типа, к которым следует отнести биметаллы, а также различного рода многослойные металлические материалы (рис. 114). Предлагаемая схема охватывает лишь некоторые основные типы композиционных материалов. Необходимо отметить, что для создания рациональных композиций материалов как первой, так и второй групп очень важно изучить процессы взаимодействия компонентов. Эта взаимодействие может быть как физико-механическим (возникающим в процессе совместного деформирования), так и химическим (образующимся в результате протекания диффузионных процессов). Следует различать первичное взаимодействие между компонентами, развивающееся на поверхностях раздела при изготовлении материала, и вторичное взаимодействие составляющих, возникающее в условиях службы материала при различных режимах теплового и механического нагружения.

В волокнистых и слоистых композиционных материалах, компоненты которых выбирают с учетом оптимального взаимодействия, структура формируется искусственно при изготовлении материала в процессе намотки, укладки волокон или деформации. В эвтектических сплавах с направленной структурой последняя фор-6

В реальных условиях эксплуатации машин материалы большинства деталей не подвергаются непрерывному увлажнению. Периодические изменения влажности воздуха вызывают изменения свойств материала. В органических материалах при этом наблюдаются остаточные изменения вследствие того, что скорость поглощения влаги материалом больше скорости потери влаги при прочих равных условиях. В конечном итоге после серии периодических увлажнений и высыханий можно ожидать необратимых изменений в свойствах материалов. Всякое изменение температуры сопровождается изменением геометрических размеров детали, что следует учитывать при проектировании и производстве машин. Отклонения в размерах твердых тел часто сопровождаются структурными изменениями, которые зависят от технологического процесса, принятого при изготовлении материала. В материале могут продолжаться физико-химические процессы или оставаться внутренние напряжения. Нагрев и охлаждение материала в определенных пределах температуры могут значительно снизить внутренние напряжения.

Начальный оптический эффект наблюдается в полярископе в виде полос интерференции (изохром) при отсутствии внешней нагрузки; может рассматриваться как результат „замораживания" деформации при изготовлении материала. Устраняется до чистовой обработки модели путем отжига [22], [41], [49].

Начальный оптический эффект наблюдается в полярископе в виде полос интерференции (изохром) при отсутствии внешней нагрузки и рассматривается как результат «замораживания» деформаций при изготовлении материала; устраняется до чистовой обработки модели отжигом [32], [43].

При уплотнении жидкостей пробковые материалы достаточно непроницаемы в условиях невысоких рабочих давлений. Однако при отсутствии жидкости пробка обнаруживает слабую проницаемость в отношении воздуха и газов, что обусловлено наличием мелких пор, которые не закрылись полностью при изготовлении материала или сборке соединения.

Зная k для материала с известным процентным содержанием желатина, можно определить процент желатина при изготовлении материала с необходимым модулем упругости [45].

ственных циклов. В табл. 11.4 приведены средние удельные затраты энергии при изготовлении материала и изделий из металлов и армированного пластика на основе углеродных волокон и эпоксидной смолы -эпоксиуглепластик.

Одну из наиболее сложных задач при изготовлении пространственно-армированных композиционных материалов представляет выбор связующего [31, 68], особенно при изготовлении материалов, образованных системой двух, трех и п нитей [59]. Материалы могут иметь как обычную, так и пи-ролизованную матрицу. Сложность подбора связующего обусловлена трудностью пропитки. При повышенных толщинах на обычных пропиточных машинах нельзя полностью удалить из материала воздух, который при формовании приводит к пористости, поэтому пропитку таких материалов осуществляют в вакууме и под давлением 9 специальных пресс-формах. Необходимое содержание связующего достигается изменением степени уплотнения материала: чем толще материал, тем сложнее его пропитка. В качестве связующего используют низковязкие термореактивные смолы, которые при правильном выборе режимов и хорошо отлаженном технологическом процессе позволяют достигать плотности композиционных материалов на уровне теоретической. Так, для материалов, образованных системой двух нитей, при коэффициенте армирования ц =0,45 плотность р = = 1,80 г/см3 (теоретическая 1,80 г/см3), а при fi = 0,50 р = 1,85 г/см3 (теоретическая 1,86 г/см3).

Влияние типа армирующих волокон и схем армирования на формирование свойств. Для изготовления пространственно-армированных углерод-углеродных композиционных материалов применяют армирующие волокна различных видов (нити, жгуты, стержни и т. д.) с различными физико-механическими свойствами. Кроме того, армирующие каркасы, имеющие одну и ту же структурную схему, могут быть созданы различными методами (см. с. 168), что оказывает определенное влияние на свойства материала. О влиянии типа волокон на формирование свойств композиционного материала свидетельствуют данные (рис. 6.8), полученные из опытов на изгиб образцов, вырезанных из материала в направлении z [111]. Армирующий каркас был создан прошивкой в направлении z пакета, набранного из слоев низкомодульной графитовой ткани. Для прошивки использовали как обычные непропитанные углеродные жгуты и нити с различной площадью поперечного сечения, так и предварительно пропитанные и отвержденные (в виде стержней) нити. При изготовлении материалов изменялись только содержание и тип волокон направления z; в двух других направлениях параметры армирования сохранялись постоянными.

К недостаткам этих методов следует отнести трудности при изготовлении материалов, содержащих в качестве матрицы сложно-легированные металлические сплавы.

Никель — углеродное волокно. При изготовлении материалов этой системы электрохимическим методом углеродное волокно натягивают на специальную раму или наматывают тонким ровным слоем на барабан; перед нанесением покрытия волокна предварительно обезжиривают, например, изопропиловым спиртом.

Связующими в производстве слоистых пластиков служат резольные и модифицированные фенолформальдегидные смолы, эпоксидные, меламино-формальдегид-ные, кремнийорганические, ненасыщенные полиэфирные смолы и некоторые другие. Фенолформальдегидные смолы сочетают в себе термостойкость, жесткостцеравни-тельно высокую пропитывающую способность и хорошую адгезию к большинству наполнителей. Недостаток их — необходимость применения сравнительно высокого давления при изготовлении материалов и формовании изделий. Для устранения этого недостатка прибегают к модификации фенолформальдегидных смол.

Одну из наиболее сложных задач при изготовлении пространственно-армированных композиционных материалов представляет выбор связующего [31, 68], особенно при изготовлении материалов, образованных системой двух, трех и п нитей [59]. Материалы могут иметь как обычную, так и пи-ролизованную матрицу. Сложность подбора связующего обусловлена трудностью пропитки. При повышенных толщинах на обычных пропиточных машинах нельзя полностью удалить из материала воздух, который при формовании приводит к пористости, поэтому пропитку таких материалов осуществляют в вакууме и под давлением 9 специальных пресс-формах. Необходимое содержание связующего достигается изменением степени уплотнения материала: чем толще материал, тем сложнее его пропитка. В качестве связующего используют низковязкие термореактивные смолы, которые при правильном выборе режимов и хорошо отлаженном технологическом процессе позволяют достигать плотности композиционных материалов на уровне теоретической. Так, для материалов, образованных системой двух нитей, при коэффициенте армирования ц =0,45 плотность р = = 1,80 г/см3 (теоретическая 1,80 г/см3), а при fi = 0,50 р = 1,85 г/см3 (теоретическая 1,86 г/см3).

Влияние типа армирующих волокон и схем армирования на формирование свойств. Для изготовления пространственно-армированных углерод-углеродных композиционных материалов применяют армирующие волокна различных видов (нити, жгуты, стержни и т. д.) с различными физико-механическими свойствами. Кроме того, армирующие каркасы, имеющие одну и ту же структурную схему, могут быть созданы различными методами (см. с. 168), что оказывает определенное влияние на свойства материала. О влиянии типа волокон на формирование свойств композиционного материала свидетельствуют данные (рис. 6.8), полученные из опытов на изгиб образцов, вырезанных из материала в направлении z [111]. Армирующий каркас был создан прошивкой в направлении z пакета, набранного из слоев низкомодульной графитовой ткани. Для прошивки использовали как обычные непропитанные углеродные жгуты и нити с различной площадью поперечного сечения, так и предварительно пропитанные и отвержденные (в виде стержней) нити. При изготовлении материалов изменялись только содержание и тип волокон направления z; в двух других направлениях параметры армирования сохранялись постоянными.

Проблема повышения качества, таким образом, является межотраслевой, общегосударственной проблемой. Ее успешное решение возможно лишь в том случае, если будут согласованы и взаимно увязаны требования не только к качеству готового (конечного) изделия, но и к качеству используемых при его изготовлении материалов, комплектующих и прочих изделий. Этого можно достигнуть только с помощью комплексной стандартизации (комплексной разработки вопроса).

движения может быть использован также для удержания легких примесей в расплавленном металле при изготовлении материалов с регулируемой плотностью. И меняя величину вибрации, можно управлять местонахождением равновесного положения и, например, обеспечивать перемещение скопления легких примесей в определенные зоны смеси при зонной очистке переплавляемых металлов.

В обозначениях марок указывается давление (в кГ/см*) прессования углеродистых порошков при изготовлении материалов (например, АО-600, АО-1500 и т. д.), от которого зависят механические характеристики материала.

Связующими в производстве слоистых пластиков служат резольные и модифицированные фенолформальдегидные смолы, эпоксидные, меламино-формальдегид-ные, кремнийорганические, ненасыщенные полиэфирные смолы и некоторые другие. Фенолформальдегидные смолы сочетают в себе термостойкость, жесткость^сравни-тельно высокую пропитывающую способность и хорошую адгезию к большинству наполнителей. Недостаток их — необходимость применения сравнительно высокого давления при изготовлении материалов и формовании изделий. Для устранения этого недостатка прибегают к модификации фенолформальдегидных смол.