Волокнистый наполнитель

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%).

Композицию на основе меди, армированной волокнами вольфрама, получали методом намотки вольфрамовой проволоки на цилиндрическую оправку, последующего осаждения на поверхность волокна электролитической меди и диффузионной сварки под давлением пакета, набранного из нескольких слоев волокна с медным покрытием. Диффузионная сварка осуществлялась в вакууме при температуре 700° С, давлении 800 кгс/см2 и времени выдержки 60 мин [146, 172]. Получений таким образом материал, содержащий 37 об.% вольфрамового волокна с диаметром 20 мкм, имел прочность 120 кгс/мм2. При этом же содержании волокна, но диаметром 40 мкм, предел прочности композиционного материала был равен 135 кгс/мм2.

Прессование с последующим спеканием для получения волокнистых композиционных материалов используется в тех случаях, когда волокна обладают высокой стабильностью в контакте с материалом матрицы при температурах, достаточных для спекания матриц. Во всех других случаях в процессе длительной выдержки спрессованной заготовки при высокой температуре, необходимой для уплотнения матрицы, одновременно происходит взаимодействие волокон с матрицей, приводящее к снижению свойств материала. Кроме того, как было показано Баски на материалах на основе никелевого сплава типа хастеллой, армированных волокнами вольфрама и молибдена, в результате различного температурного коэффициента линейного расширения компонентов происходит отслаивание матрицы от волокна в процессе охлаждения материала от температуры спекания до комнатной.

Методом горячего прессования получали твердосплавный материал ВК6 (94% WC, 6% Со), армированный волокнами вольфрама [69]. Температура прессования составляла 1400—1500° С, давление прессования 100—160 кг/см2, время прессования 3— 5 мин. В этих условиях в процессе прессования образуется жидкая фаза [Со + (WC)], которая взаимодействует с вольфрамовым волокном, образуя на его поверхности хрупкую фазу. Для предотвращения взаимодействия на волокно наносили слой карбида циркония толщиной 3—4 мкм методом осаждения из парогазовой фазы. Армирование вольфрамовыми волокнами сплава В Кб позволило повысить ударную вязкость при комнатной и повышенной температурах в 1,5—2,0"*раза.

пытания проводили с серебром, армированным дискретными волокнами вольфрама. Когда в материале содержатся дискретные волокна, необходимо принимать во внимание изменение напряжений на граничных поверхностях. Если полагать, что имеет место выравнивание касательных напряжений на граничных поверхностях, среднее напряжение в волокне можно представить как

Так, композит с матрицей из чистой меди, армированной волокнами вольфрама, относится к первому классу; если Си легирована небольшим количеством Ti, то этот композит следует отнести ко втором}' класс}'. При повышенных концентрациях титана на поверхности раздела появляются интерметаллические соединения и композит следует отнести к третьем}' классу.

ККМ с металлическими волокнами. Керамику армируют волокнами вольфрама, молибдена, стали, ниобия. Основная цель введения в керамику металлических волокон заключается в образовании пластичной сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность катастрофического разрушения. Металлические волокна не взаимодействуют с оксидной керамикой вплоть до температур 2073 - 2773К. Изготавливают такие ККМ методом горячего прессования.

Наибольшее внимание привлекают алюминиевые сплавы, армирииаппшс DU-локнами 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 дисперсноупрочиенного алюминия и алюминиевого сплава. На рис. 466 показана макро- и микроструктура прутка из сплава нихром, армированного волокнами вольфрама (50%).

Исследование на модельной системе было проведено Петрасе-ком и Уитоном [18] с целью изучения влияния легирующих элементов на механические свойства и микроструктуру композиционных материалов, упрочненных металлическими волокнами. Двой-^ ные медные сплавы использовали в качестве матрицы для композиций с волокнами вольфрама. Легирующие элементы выбирались таким образом, чтобы получаемые двойные медные сплавы позволили выявить влияние отдельных элементов на взаимодействие матрицы с волокном. Данные, полученные для растворимых элементов в модельной системе, могут быть связаны с поведением этих элементов в жаропрочных сплавах. Эти данные служат основой для модифицирования состава жаропрочного сплава матрицы с тем, чтобы контролировать взаимодействие между матрицей и волокном.

Пропитка пучков вольфрамовых волокон жидкими двойными медными сплавами осуществлялась в условиях, идентичных используемым ранее для композиций с матрицей из чистой меди. Содержание легирующего элемента каждого двойного медного сплава было ограничено количеством, которое позволило обеспечить температуру плавления, равную 1150° С или ниже, чтобы произвести пропитку при 1200° С. Сравнивалось влияние легирующих элементов на свойства композиций, упрочненных волокнами вольфрама, и системы, образованной взаимно нерастворимыми компонентами (в случае матрицы из чистой меди). В качестве легирующих элементов изучались алюминий, хром, кобальт, ниобий, никель и титан.

Взаимодействие на поверхности раздела матрицы с волокном оказывает также влияние на сопротивление удару композиционных материалов. Уинз и Петрасек [28] рассмотрели данные по сопротивлению удару композиций на основе металлической матрицы, упрочненной волокнами вольфрама. Были исследованы матрицы трех видов: медь, медь —10% Ni и никелевый жаропрочный сплав. Изменение вида матрицы позволило сравнить влияние различных факторов на сопротивление удару композиции при испытаниях на маятниковом копре. Медь представляла пластичную нереакциовноспособную матрицу, а жаропрочный сплав — хрупкую реакционноспособную матрицу. Сопротивление удару композиций, в которых наблюдали взаимодействие с волокном, было ниже сопротивления удару композиций, в которых данное взаимодействие отсутствовало. Кроме того, сопротивление удару уменьшалось с увеличением глубины зоны взаимодействия. Хрупкий слой рекристаллизованного вольфрама действует на снижение сопротивления удару таким же образом, как было показано ранее для предела прочности.

Материал криолон наряду с дисперсными наполнителями (MoS2> бронза) содержит волокнистый наполнитель в виде измельченных углеродных волокон, что обеспечивает повышение механических свойств и теплопроводности, а также снижение интенсивности изнашивания, особенно в области низких температур. Общим для материалов этого типа является снижение коэффициента трения и износостойкости при повышении температуры. Криолон сохраняет работоспособность при температурах от -200 до +200°С.

Установлено, что параметр кристаллической ячейки всех материалов с повышением температуры увеличивается незначительно, при этом у композиционных материалов этот параметр больше. Величина межслоевого расстояния практически не зависит от температуры до момента достижения температуры плавления кристаллической фазы. Однако введение наполнителей приводит к изменению межслоевого расстояния, при этом природа и форма частиц наполнителя оказывают различное влияние на формирование надмолекулярной структуры. Поэтому матрица материала криолон-3, содержащего волокнистый наполнитель, имеет межслоевое расстояние большее, чем у чистого ПТФЭ, в то время как структура матрицы материала КВН-3, содержащего дисперсные наполнители, характеризуется межслоевым расстоянием меньшим, чем у чистого ПТФЭ. Температура 553 К для ПТФЭ является критической. Начиная с этой температуры идет процесс плавления кристаллических областей, который заканчивается при температуре 603 К. Степень "дальнего" порядка в матрице при этом уменьшается,

параметр больше. Величина межслоевого расстояния практически не зависит от температуры до достижения температуры плавления кристаллической фазы. Однако влияние наполнителей вызывает изменение межслоевого расстояния, при этом природа и форма частиц наполнителя оказывают различное влияние на формирование надмолекулярной структуры. Поэтому матрица криолона-3, содержащего волокнистый наполнитель, имеет межслоевое расстояние большее, чем у чистого ПТФЭ, в то время как структура матрицы материала КВН-3, содержащего дисперсные наполнители, характеризуется межслоевыми расстояниями меньшими, чем у чистого ПТФЭ. Степень кристалличности матрицы с повышением температуры возрастает (рис. 6.19).

Фенолит 5 (СТУ 30-14023-63) Фенолформальдегидная смола, модифицированная поливинил-хлоридом, волокнистый наполнитель Компрессионное прессование с предварительным подогревом

Основные методы получения углерод-углеродного композита включают высокотемпературную обработку углепластиков и нанесение на углеродный волокнистый наполнитель пироутлерода, образующегося при разложении углеводородов. Существуют жидкофазный, газофазный и комбинированный способы получения УУКМ.

Бурное развитие сверхзвуковой авиации и космической техники, в том числе разработка конструкций возвращаемых космических аппаратов, которые должны успешно преодолевать плотные слои атмосферы, вызвало необходимость интенсивных поисков материалов для абляционных покрытий. Основными функциями абляционного слоя является предотвращение перегрева и разрушения летательного аппарата. Наибольшее распространение в качестве абляционных покрытий получили композиционные материалы на основе полиамидных волокон и фенолоформальдегидных связующих. Однако, как отмечает Энгел [54], использование таких материалов в ракетах земля — воздух является нежелательным, поскольку в процессе их абляции наблюдается выделение ионов, создающих радиопомехи, что затрудняет осуществление радиоуправления ракетами. Считают, что во избежание этого, необходимо применять особо чистые композиции, в частности на основе кремнеземного волокна, содержащего менее 25 млн~!, и эпоксидно-кремнийорганического связующего. В процессе абляции такого материала происходит обугливание отвержденного эпоксидного связующего и образование вспененного кремнийорганического полимера в процессе газоотделения и сублимации. Армирующий волокнистый наполнитель обеспечивает прочность материала.

Связующее Волокнистый наполнитель OJ & 3S Q ? о.

Материал криолон наряду с дисперсными наполнителями бронза) содержит волокнистый наполнитель в виде измельченных углеродных волокон, что обеспечивает повышение механических свойств и теплопроводности, а также снижение интенсивности изнашивания, особенно в области низких температур. Общим для материалов этого типа является снижение коэффициента трения и износостойкости при повышении температуры. Криолон сохраняет работоспособность при температурах от -200 до +200°С.

Установлено, что параметр кристаллической ячейки всех материалов с повышением температуры увеличивается незначительно, при этом у композиционных материалов этот параметр больше. Величина межслоевого расстояния практически не зависит от температуры до момента достижения температуры плавления кристаллической фазы. Однако введение наполнителей приводит к изменению межслоевого расстояния, при этом природа и форма частиц наполнителя оказывают различное влияние на формирование надмолекулярной структуры. Поэтому матрица материала криолон-3, содержащего волокнистый наполнитель, имеет межслоевое расстояние большее, чем у чистого ПТФЭ, в то время как структура матрицы материала КВН-3, содержащего дисперсные наполнители, характеризуется межслоевым расстоянием меньшим, чем у чистого ПТФЭ. Температура 553 К для ПТФЭ является критической. Начиная с этой температуры идет процесс плавления кристаллических областей, который заканчивается при температуре 603 К. Степень "дальнего" порядка в матрице при этом уменьшается,

параметр больше. Величина межслоевого расстояния практически не зависит от температуры до достижения температуры плавления кристаллической фазы. Однако влияние наполнителей вызывает изменение межслоевого расстояния, при этом природа и форма частиц наполнителя оказывают различное влияние на формирование надмолекулярной структуры. Поэтому матрица криолона-3, содержащего волокнистый наполнитель, имеет межслоевое расстояние большее, чем у чистого ПТФЭ, в то время как структура матрицы материала КВН-3, содержащего дисперсные наполнители, характеризуется межслоевыми расстояниями меньшими, чем у чистого ПТФЭ. Степень кристалличности матрицы с повышением температуры возрастает (рис. 6.19).

ячейки КМ двухфазная среда: первая фаза — пористое связующее вещество, вторая — волокнистый наполнитель.