Материал: Технология производства порошковых и композиционных материалов

Волокнистые КМ

Структура и свойства волокнистых КМ

В волокнистых КМ упрочнителями служат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений (B, C, Al2O3, SiC и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Mo, W, Be, высокопрочная сталь и др.). Для армирования КМ используют непрерывные и дискретные волокна диаметром от долей до сотен микрометров.

При упрочнении волокнами конечной длины нагрузка на них передается через матрицу с помощью касательных напряжений. В условиях прочного (без проскальзывания) соединения волокна с матрицей нагрузка на волокна при растяжении равна фрdl,где ф - касательное напряжение, возникающее в матрице в месте контакта с волокном; d - диаметр волокна, l - длина волокна. С увеличением длины волокна повышается возникающее в нем напряжение. При определенной длине, называемой критической, напряжение достигает максимального значения. Оно не меняется при дальнейшем увеличении длины волокна. Практикой подтверждено, что чем тоньше и длиннее волокно, т.е. чем больше отношение длины к диаметру, тем выше степень упрочнения КМ.

В качестве матриц металлических КМ используют металлы: алюминий, магний и титан, жаропрочный никель и сплавы на их основе; для неметаллических КМ -- полимерные, углеродистые, керамические материалы.

Свойства волокнистых КМ в большой степени зависят от схемы армирования. Ввиду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при одноосном армировании физическим и механическим свойствам КМ присуща анизотропия. При растяжении временное сопротивление и модуль упругости КМ достигают наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших -- в поперечном направлении. Анизотропия свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением упрочняющих волокон. Остаются низкими характеристики при сжатии и сдвиге. При растяжении материала вдоль волокон нагрузку в основном воспринимают высокопрочные волокна, а матрица служит средой для передачи усилий.

При изготовлении деталей из КМ волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать их свойства с учетом действующих в конструкции нагрузок.

Прочность КМ в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей.

Для качественного соединения волокон с матрицей необходимо пpeжде всего обеспечить хороший контакт (без загрязнений, газовых и других включений) по всей поверхности соединений. КМ относятся в основном к термодинамически неравновесным системам, что является главной причиной диффузионных процессов и химических реакций, происходящих на границе раздела между волокном и матрицей. Эти процессы протекают при изготовлении КМ и при их использовании. Некоторое взаимодействие между компонентами необходимо для обеспечения прочной связи между ними, передачи напряжений.

Для металлических КМ прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1-2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его обеспечения, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими.

Связь между компонентами в КМ на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон, называемой вискеризацией. Вискеризация -- это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора называют «борсик». Вискеризация способствует повышению сдвиговых характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна. Так, увеличение объемного содержания нитевидных кристаллов до 4-8 % повышает сдвиговую прочность в 1,5-2 раза, модуль упругости и прочность при сжатии на 40-50 %.

На поверхности соединения компонентов не должно происходить химических реакций, приводящих к повреждению волокон, ухудшению их свойств и свойств КМ.

Технология изготовления волокнистых композиционных материалов призвана решать следующие задачи: создавать надежную связь упрочнитель -- матрица, распределять упрочнитель в матрице по требуемой схеме или обеспечивать сохранность его распределения в армирующих компонентах, исключать коррозионное, механическое и другие виды повреждений.

Для формования заготовок из волокнистых КМ применяют прессование в стальных прессформах, горячее гидростатическое прессование, экструзию, прокатку, виброуплотнение, шликерное литье и уплотнение взрывом.

При прессовании в стальных прессформах давление прессования определяется свойствами применяемых волокон. Если смесь содержит металлические волокна, давление может быть выше, чем при прессовании композиции с керамическими волокнами. При этом следует учитывать, что наличие в смеси жестких волокон препятствует равномерному уплотнению матрицы.

Значительно возрастает равномерность уплотнения заготовок при гидростатическом прессовании. Этот метод целесообразно использовать при прессовании заготовок с ориентированными волокнами, что позволяет сохранить заданное распределение волокон в матрице. Процесс гидростатического прессования композиционных материалов аналогичен прессованию обычных порошковых смесей.

Способом экструзии можно получать заготовки двух видов. Один вид заготовок получают продавливанием через мундштук шихты, состоящей из смеси компонентов и пластификатора, другой -- горячей экструзией порошковых прессовок из смеси матричного материала и упрочнителя. Заготовки этого вида могут применяться и как готовые изделия. Так, например, при производстве титанобериллиевого композиционного материала брикетированные в стальных оболочках смеси порошков титана и бериллиевой проволоки подвергают экструзии при температуре 350--370 °С, а полученные прутки -- прокатке и ковке. Основное преимущество этого способа -- низкая температура процесса, которая предотвращает образование интерметаллидов, снижающих прочность изделий.

Прокаткой смеси можно получать большие по ширине и длине заготовки композиционных материалов с равномерным распределением плотности по сечению заготовки, а также армированные ленты и листы. При совместной пластической деформации волокна вдавливаются в более пластичную матрицу, а матричный материал заполняет все микропустоты заготовки и даже микротрещины на поверхности волокон, что повышает их прочность. При получении композиционных материалов прокаткой необходимо учитывать, что при продольной прокатке деформация заготовки не должна быть причиной разрыва волокон.

Шликерное литье является перспективным способом формования композиционных материалов, позволяющим получать заготовки сложной формы с дискретными волокнами без их деформации в процессе уплотнения. Применяют два вида шликерного литья. Согласно первому из них, из порошков материала матрицы и волокон готовят шликер и заливают в форму. Полученную заготовку сушат и спекают. Содержание волокон в этом случае не превышает 5-10 %. Во втором случае армирующие компоненты помещают в форму и заливают шликером матричного состава. При этом можно использовать и непрерывные волокна.

Примером применения шликерного литья служит технология изготовления композиционного материала никель-вольфрам. В этом случае вольфрамовую арматуру пропитывают шликером из тонкого порошка никелевого сплава. С целью удаления растворителя и предварительного спекания проводят медленный нагрев заготовки в среде водорода до температуры 820 °С с выдержкой в течение 1 ч. Затем заготовку подвергают изостатическому горячему прессованию при 820 °С, давлении 138 МПа в течение 1 ч, после чего температуру повышают до 1100 °С и выдерживают заготовку еще 1 ч.

Горячее прессование позволяет получать беспористые заготовки при более низких давлениях и температурах и за более короткое время по сравнению с раздельным формованием и спеканием, что снижает вероятность разрушения хрупких волокон в процессе формования, а также в связи с применением более низких температур и уменьшением длительности выдержки, удается исключить нежелательное химическое взаимодействие между компонентами.

Например, композиционный материал А1-SiO2 получают горячим прессованием при температуре 400-500 °С, давлении 5-200 МПа с выдержкой в течение 0,75-1,5 ч.

Пластическая деформация позволяет получать композиционные материалы из мягко деформируемых металлов и сплавов при условии, что в процессе совместной деформации матрицы и волокон арматура не разрушается. Пластическую деформацию заготовки композиционного материала проводят прокаткой, импульсным прессованием, взрывом, экструзией и т. п.

Выбор схемы изготовления заготовок для пластической деформации определяется пластичностью волокна. Так, из металлических волокон можно получать заготовки с острыми углами, когда волокна подвергаются изгибу с малыми радиусами. При применении жестких непрерывных волокон, например бора, карбида кремния, борсика, используют только круглые оправки и получают только монослои, которые затем складывают в стопку и прессуют изделие. Если позволяет прочность волокон, заготовку подвергают холодной деформации в закрытых пресс-формах. Напряжение деформации должно обеспечивать прочную адгезионную связь между листами матричного материала.

При использовании волокон с низкой пластичностью, когда высокие напряжения могут привести к разрушению волокон, заготовки подвергают диффузионной сварке при небольших давлениях и температурах, обеспечивающих интенсивное протекание диффузионных процессов.

Рекомендуемая литература:

• 1. [3] стр.443-450.
• 2. [4] стр.36-37.

Контрольные задания для СРС (тема 6) [3, 4]

• 1. Изучить возможность образования различных типов связи между матрицей и наполнителем в КМ.
• 2. Разобрать виды и свойства упрочнителей.

Способы изготовления волокнистых КМ

Существует две технологические схемы изготовления композиционных материалов, отличающиеся способом соединения волокон и матрицы: твердо- и жидкофазные.

Твердофазный способ состоит в механическом соединении волокна и матрицы в виде порошка или фольги с последующим прессованием методом горячего прессования, диффузионной сварки, экструзии или прокатки. После деформации материал может подвергаться спеканию для повышения прочностных свойств. Недостатки способа -- возможность повреждения волокон и их взаимодействие с матрицей при спекании.

Жидкофазный способ предусматривает расплавление материала матрицы. Широко применяют пропитку, поскольку проникновение расплава в пучки волокон или маты из дисперсных неориентированных волокон не приводит к значительным разрывам армирующих волокон и изменению формы армирующих компонентов. Пропитку успешно применяют при изготовлении композиционных материалов на основе легкоплавких металлов Аl, Сu, Ni, Аg и волокон, которые хорошо ими смачиваются. Для улучшения качества материала пропитку проводят в вакууме.

Более тугоплавкие металлы подвергают горячему прессованию при наличии жидкой фазы. Полученные заготовки прокатывают или выдавливают в горячем состоянии. Трудности возникают при обработке композиций с неориентированными волокнами, которые могут разрушаться. Если волокна ориентированы, то экструзию и прокатку можно проводить вдоль волокон, не разрушая их.

Иногда применяют и третий способ изготовления композиционных материалов -- способ осаждения и напыления. Процесс осаждения состоит в химическом или электролитическом осаждении материала матрицы на упрочнитель из пара или раствора. После нанесения покрытия большой толщины композицию подвергают уплотнению. В процессе осаждения в материале всегда остаются пустоты, что вызывает необходимость дальнейшего уплотнения композиции.

Напыление используют для получения композиционных материалов по следующей схеме: напыление материала матрицы на оправку, укладка волокон в один слой, напыление материала матрицы, повторная однослойная укладка волокон и т. д. до достижения необходимой толщины композиционного материала. Завершающим этапом является удаление оправки и при необходимости -- механическая обработка детали.

Среди твердофазных способов для получения композиционных материалов, армированных непрерывными и дискретными волокнами, матами, сетками и т. п., широко применяются способы порошковой металлургии, позволяющие получать композиционные материалы с заданной пористостью путем изменения в широком диапазоне концентрации волокна. Обычно применяют традиционную технологическую схему.