Термическая обработка металлов

Композиционные  материалы с неметалической матрицей

3.3. Общие сведения, состав  и классификация

  

  Рис.8. Схемы армирования композиционных материалов

  Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

  Свойства  композиционных материалов зависят  от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

  Содержание  упрочнителя в ориентированных  материалах составляет 60–80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и  нитевидными кристаллами) – 20–30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

  По  виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

  В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

  

  Рис.7. Зависимость между напряжением  и деформацией при растяжении эпоксидного углепластика с различной схемой укладки упрочнителя: 1 – продольная; 2 – под углом 45º; 3 – взаимно перпендикулярная; 4 – поперечная

  Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех  и более нитей (рис.7). Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

  Трехмерные  материалы могут быть любой толщины  в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность  на отр ыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трех-направленных. Зависимость механических свойств композиционных материалов от схемы армирования приведена на рис.8.

3.4. Карбоволокниты

  Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

  Высокая энергия связи С–С углеродных волокон позволяет им сохранять  прочность при очень высоких  температурах (в нейтральной и  восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6–2,5 раза. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов TiO2, AlN и Si3N4, что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

  Связующими  служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные  карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

  

  Рис.9. Значения модулей упругости (1), сдвига (2) и коэффициентов Пуассона (3) под  углом к главному направлению  композиционного материала, образованного  системой трех нитей

  Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-ly на жгуте, вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200°С.

  Карбоволокниты  КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксиани-линоформальдегидном  связующем, их можно эксплуатировать  при температуре до 100°С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300°С.

  Карбоволокниты  отличаются высоким статическим  и динамическим сопротивлением усталости (рис.9), сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения σИЗГ и Е почти не изменяются.

  Теплопроводность  углепластиков в 1,5–2 раза выше, чем  теплопроводность стеклопластиков. Они  имеют следующие электрические  свойства: ρV=0,0024÷0,0034 Ом∙см (вдоль волокон); е=10 и tgδ=0,01 (при частоте тока 1010 Гц).

  Карбостекловолокниты  содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал. Зависимость механических свойств модифицированного карбоволокнита от содержания углеродных волокон показана на рис.10.

  

  Рис.10. Зависимость модуля упругости Е, предела прочности σВ, ударной  вязкости а и сопротивления усталости σ-1 карбостекловолокнита от содержания углеродных волокон (общее содержание наполнителя в композиции 62 об.%)

3.5. Карбоволокниты с  углеродной матрицей.

  Коксованные материалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. При температуре 800–1500°С образуются карбонизированные, при 2500–3000°С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме (температуре 1100°С и остаточном давлении 2660 Па) метан разлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их.

  Образующийся  при пиролизе связующего кокс имеет  высокую прочность сцепления  с углеродным волокном. В связи  с этим композиционный материал обладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару.

  Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениям прочности и ударной вязкости в 5–10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200°С, на воздухе окисляется при 450°С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35–0,45), а износ мал (0,7–1 мкм на торможение).

  Полимерные  карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них  изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и др.

  Карбоволокниты  с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

  3.6. Бороволокниты

  Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного  связующего и упрочнителя — борных волокон.

  Бороволокниты отличаются высокой прочностью при  сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон  обеспечивает высокую прочность  при сдвиге на границе раздела с матрицей.

  Помимо  непрерывного борного волокна применяют  комплексные боростеклониты, в которых  несколько параллельных борных волокон  оплетаются стеклонитью, придающей  формоустойчивость. Применение боростеклонитей  облегчает технологический процесс изготовления материала.

  В качестве матриц для получения бороволокнитов используют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты  КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для  длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температуре не свыше 100°С; КМБ-2к работоспособен при 300°С.

  Влияние на механические свойства бороволокнита  содержания волокна приведено на рис.11, а влияние различных матриц – на рис.12.

  

  Рис.11. Зависимость механических свойств бороволокнита КМБ-1 от содержания борного волокна:

  Е – модуль упругости;

  σИЗГ  – предел прочности при изгибе;

  G – модуль сдвига;

  τВ  – предел прочности при сдвиге

  Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями  усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

  

  Рис.12. Зависимость разрушающего напряжения при изгибе бороволокнитов на различных  связующих от температуры: 1, 2 – эпоксидное; 3 – полиимидное; 4 – кремнийорганическое связующее

  Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью: λ=43 кДж/(м∙К); α=4∙10-6 С-1 (вдоль волокон); ρV=1,94∙107 Ом∙см; е=12,6÷20,5 (при частоте  тока 107 Гц); tgδ=0,02÷0,051 (при частоте тока 107 Гц). Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2–2,5 раза больше, чем для карбоволокнитов.

  Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной  и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т.д.).

3.7. Органоволокниты

  Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного  связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие  материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.

  В органоволокнитах значения модуля упругости  и температурных коэффициентов  линейного расширения упрочнителя  и связующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно  и химическое взаимодействие между  ними. Структура материала бездефектна. Пористость не превышает 1–3% (в других материалах 10–20%). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая (400–700 кДж/м2). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

  Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100–150°С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон – при 200–300°С.

  В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют  минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.