Получения композитов

Весьма показательны в отношении влияния матрицы также результаты, полученные на цилиндрических образцах методом карбонизации исходной полимерной матрицы и методом осаждения пиролитического графита [111]. Композиционные материалы с пироуглеродной матрицей получали пятикратным осаждением пироуглерода из метана при 1100°С. Продолжительность каждого цикла пиролиза 150 ч. После последнего цикла была проведена графитизация в течение 2 ч. Процесс получения композиционного материала путем карбонизации исходной полимерной матрицы состоял из 13 циклов пропитки ткани фенольной смолой и последующей карбонизации. После пяти, десяти и тринадцати циклов производилась графитизация при 2760°С.

Отсюда следует непосредственная связь между реальной прочностью волокон и коэффициентом концентрации напряжений. Типичные значения коэффициентов концентрации напряжений в борных волокнах 10 — 20. В волокнах бора дефекты могут залегать на внешней поверхности, либо на поверхности раздела между борной оболочкой и вольфрамовой проволокой. Если поверхностные дефекты представляют собой острые, узкие микротрещины, то маловероятно, чтобы в процессе получения композиционного материала, например, методами горячего прессования через твердую фазу материал матрицы попадал в трещину. В связи с этим реакция взаимодействия не изменяет эффективность исходных концентратов напряжений на внешней поверхности волокна. Тем более это относится к дефектам между борной оболочкой и вольфрамовой проволокой. Таким образом, в основе модели Меткалфа лежит предположение о том, что собственные концентраторы напряжений в волокнах остаются неизменными в процессе получения композиционного материала, а в матрице отсутствуют условия для возникновения трещин.

Однако чрезвычайно высокая реакционная способность большинства армирующих материалов в контакте с металлическими расплавами значительно сужает возможности практического применения метода пропитки. Другим важным моментом, играющим существенную роль в процессе получения композиционного материала пропиткой, является необходимость хорошей смачиваемости упрочняющих волокон жидкой матрицей, поскольку при невыполнении этого условия значительно усложняется технология получения материала.

Метод пропитки применяют для получения композиционного материала с внешним армированием, предназначенного для изделий, работающих на трение. Такой износостойкий материал получали методом заливки алюминиевого сплава в форму с уложенной в ней тканью из карбидов тугоплавких металлов — тантала, титана или вольфрама [163, 164]. После затвердевания структура поверхности материала представляет собой две фазы: 75— 80% фазы с высокой твердостью, состоящей из карбидов и сплава матрицы. Испытания на трение показали, что армированный с поверхности тугоплавкими карбидами алюминиевый сплав 6061 имеет значительно более высокую стойкость к истиранию по сравнению с неармированным сплавом 6061, заэвтектическим алюминиевым сплавом, содержащим 18% по массе кремния, и композиционным материалом алюминий—углерод.

штока постоянного диаметра с утолщением в верхней части, опирающимся на стальное кольцо 14, через которое пропущен шток. При помощи этого кольца и постоянного магнита I шток может подниматься и открывать отверстие в дне тигля. Верхняя и нижняя части кварцевой трубы заглушены резиновыми пробками 2. Нагрев тигля и расплавление металла осуществляются индуктором 12, расположенным поверх кварцевой трубы на уровне графитового тигля. Верхняя и нижняя резиновые пробки изолируются от горячего тигля специальными теплозащитными экранами 6. Технологический процесс получения композиционного материала описан ниже.

Метод вакуумной пропитки применяли для получения композиционного материала алюминий — углеродное волокно. На жгуты из углеродного волокна наносили покрытие из кремния, карбида кремния или никеля, улучшающее смачиваемость и уменьшающее взаимодействие волокна с расплавом. Жгуты с покрытыми волокнами в вакууме (2—5) 10"5мм рт. ст. загружали в расплавленный алюминий. Полученный композиционный материал, содержащий 30 об. % углеродного волокна, имел предел прочности 75 кгс/см2 (патент Японии № 7300106, 1973 г.).

Метод вакуумной пропитки, аналогичный описанному выше, применялся для получения композиционного материала на основе нихрома, армированного вольфрамовой проволокой [35]. Установка для вакуумной пропитки, применяемая в данном случае, состояла из вакуумной системы, индукционной плавильной печи и трубчатой печи для подогрева обоймы, заполненной вольфрамовой проволокой. Металл матрицы расплавляли в индукционной печи и доводили до заданной температуры. Обойму, изготовленную из стали 12Х18Н10Т с внутренним диаметром 16 мм и длиной 120 мм, заполняли однонаправленной вольфрамовой проволокой, после чего к ней приваривали мембрану из никелевого листа толщиной 0,5 мм. Другой конец обоймы при помощи приваренной к ней трубки с внутренним диаметром 12 мм соединяли с вакуумной системой. В трубку вставляли три пробки: две стальные с отверстиями и одну, изготовленную из пенопласта. Подготовленную таким образом обойму вакуумировали, подогревали в трубчатой печи сопротивления, после чего ее быстро вставляли в штатив индукционной печи и опускали в расплав нихрома, в котором мембрана расплавлялась, и металл заполнял обойму до предохранительной пробки. Процесс всасывания длился 1—2 с, после чего вентиль перекрывали, заменяли обойму новой

Другим важным отличительным признаком этого процесса является то, что процесс получения композиционного материала обычно связан с пластическим течением матрицы, необходимым для заполнения пространства между элементами упрочнителя, происходящим обычно в замкнутом объеме и имеющем небольшую величину. При соединении деталей диффузионным методом пластическая деформация отсутствует.

Алюминий — бериллиевая проволока. Бериллиевая проволока является перспективным упрочнителем благодаря малой плотности, равной 1,83 г/см3, высокому модулю упругости и прочности, равным соответственно 29 500 кгс/мм2 и 130 кгс/мм2. Исследование возможности получения композиционного материала методом пропитки бериллиевой проволокой расплавом алюминия, по данным Флекка и Гольдштейна, дало отрицательный результат, так как при температуре 644° С между алюминием и бериллием происходит эвтектическая реакция, сопровождающаяся растворением бериллия. В связи с этим одним из основных технологических путей получения материала алюминий — бериллиевая проволока в настоящее время является диффузионная сварка под давлением. При этом в качестве предварительных заготовок ком-

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.

Магний — борное волокно. Композиция магний—борное волокно является едва ли не единственной композицией на основе магния, получаемой методом диффузионной сварки под давлением. Исследование влияния технологических параметров изготовления материала на его свойства было проведено авторами работы [122]. Результаты исследования свойств композиций, полученных при температурах от 350 до 600° С, давлениях от 350 до 1400 кгс/мм2 и выдержке в течение 1 ч, позволили установить оптимальные условия получения композиционного материала Mg—В: температура диффузионной сварки 525° С и давление 700 кгс/см2. Свойства композиционного материала, полученного по этому режиму, представлены в табл. 29. Для сравнения в этой же таблице приведены свойства композиции близкой по составу, но полученной не по оптимальному режиму.

В программе Британского института газовых турбин для получения композитов из никелевых сплавов, упрочненных вольфрамовой проволокой, была использована пропитка расплавленным металлом. Дин [9] сообщает, что проблему растворимости решает быстрая пропитка расплавом пучка проволоки с последующим

Кляйн и Мет'калф [15], использовавшие для получения композитов различной прочности подход Штурке, в отличие от этого автора исследовали поверхность раздела с помощью ряда методик— оптической микроскопии поперечных и косых срезов, сканирующей электронной микроскопии поперечных срезов, дифракции электронов и рентгеновских лучей и трансмиссионной электронной микроскопии тонких срезов, полученных катодным травлением. Большие возможности представляет методика экстракции имеющейся на поверхности раздела пленки продуктов реакции, основанная на растворении алюминия и бора в соответствующих реактивах. Эта методика обеспечивает свободное веплы-вание пленки в растворе. Она обсуждается более детально в гл. 3; там же приведены примеры типичных поверхностей раздела.

Первые работы по упрочнению металлов окислами .были сосредоточены, в основном, на технологии получения композитов методом пропитки расплавом и фундаментальных исследованиях процессов смачивания окисла жидким металлом и формирования связи с окислами. Исследования систем жидкий металл — твердый окисел стимулировались наличием исходных окисных материалов в виде матов из очень мелких усов АЬОз и стеклянной пряжи. Для заполнения чрезвычайно тонких каналов между волокнами в этих материалах естественно было воспользоваться пропиткой жидким металлом. В результате этих исследований получено много практически важных данных, обзор которых и будет здесь приведен. Цель настоящего обзора — описать основы смачивания, пропитки расплавом и образования связи, а также проанализировать имеющиеся данные для отдельных систем металл — окисел.

Смачивание твердого окисла расплавом является главным условием получения композитов спосо'бами пропитки и диффузионной сварки через жидкую фазу, а также образования достаточно прочной связи. Степень смачивания определяется силами, действующими на поверхности раздела капли расплава и гладкой твердой поверхности. Для определения степени смачивания удобен метод сидячей капли, схема которого приведена на рис. 4. Соотношение сил поверхностного натяжения определяется уравнением Юнга:

Далее будет приведен обзор имеющихся в литературе данных о кинетике и механизме твердофазных реакций при температурах изготовления и эксплуатации, а также о прочности поверхности раздела в системах, представляющих интерес для получения композитов практического применения.

Для всех способов получения композитов величины их поперечной прочности попадают на кривые, соответствующие условию :6т-

В данной главе рассматривается механизм передачи нагрузки от матрицы к волокну через поверхность раздела и тем самым влияние поверхности раздела на структурную целостность композита. В -частности, анализируется влияние адгезии на прочность композитов и морфологию поверхности разрушения; рассматриваются адгезионная прочность, методы измерения и расчета напряжений на поверхности раздела, остаточные напряжения и завися» мость адгезии на поверхности раздела от режима нагружения композита, а также от наличия в нем пор и размеров волокон. Обсуждается возможность получения композитов с заданными адгезионными свойствами. Чтобы отразить общие тенденции и подчеркнуть наиболее важные моменты, многие из этих зависимостей иллюстрируются графически. Теоретическое рассмотрение указанных вопросов сопровождается соответствующими экспериментальными данными.

В соответствии с ранними теориями адгезии в процессе получения композитов из гидрофильных минеральных веществ и органических полимеров необходим плотный контакт поверхности наполнителя с органической фазой. Отвержденная на поверхности смола должна противостоять различной усадке наполнителя и полимера и препятствовать прониканию воды внутрь гидрофильного наполнителя.

Волокна, прошедшие термообработку при 1200 °С в атмосфере азота, содержащей не более 2% кислорода, охлаждались в азоте до комнатной температуры. После этого они покрывались эпоксидной смолой в атмосфере азота и использовались для получения композитов. Исследования адсорбционной способности (разд. I) таких волокон показывают, что поверхность их нейтральна. Чистота поверхности термообработанных волокон подтверждается существованием прочной адгезионной связи на поверхности раздела и результатами электронно-микроскопических исследований.

В металлокерамических композитах применение метода ИПД также приводит к формированию наноструктур. В частности, одним из способов получения композитов является консолидация металлических и керамических порошков по схеме деформации кручением. Недавно в работе [29] подробно исследовали типы наноструктур, полученных консолидацией ИПД микронных порошков Си и А1 и нанопорошков SiO2 и А^Оз- При этом были получены объемные образцы нанокомпозитов, имеющие средний размер зерен 60 нм в Си образцах и 200 нм в А1 образцах и плотность выше 98 %.

При получении композитов могут быть использованы самые различные сочетания материалов матрицы и наполнителя. Поэтому следует учитывать, что рассмотрение композита с точки зрения механики зависит от материалов, из которых он построен. Однако следует иметь в виду, что в каждом конкретном случае приемы изучения композитов не отличаются от соответствующих методов, с которыми приходилось иметь дело ранее в материаловедении и сопротивлении материалов. В настоящее время существует большое количество технологий получения композитов и разработаны соответствующие методики исследования механического поведения этих материалов.