8.4. Основы технологии производства композиционных

8.4. Основы технологии производства композиционных материалов
Композиционный материал – это искусственный материал, который состоит из
двух и более компонентов различного химического состава, объединенных в монолит.
Его свойства отличны от свойств компонентов, взятых в отдельности (например, гораздо выше прочность, жесткость).
Компонент композиционного материала, который обладает непрерывностью по
всему объему, называется матрицей. Прерывистый компонент, имеющий обычно большую прочность и твердость, называется упрочнителем или наполнителем.
По геометрии наполнителя композиты подразделяют:
1) С нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют
один порядок (частицы).
2) С одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит два других (нитевидные кристаллы, волокна).
3) С двухмерными наполнителями (пластины, фольга в плоскостях).
Композит 1 типа обычно представляет собой металлическую матрицу (Al, Ni) с
дисперсными частицами тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов. Размеры
частиц составляют 0,01...50 мкм.
В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а частицы наполнителя
препятствуют развитию пластической деформации. Эффективное упрочнение достигается при 5...10 % объема частиц наполнителя.
Получение композитов 1 типа возможно: а) методами порошковой металлургии
(смешивание порошков матрицы и наполнителя, изостатическое прессование, спекание);
б) введением частиц наполнителя в жидкий расплав металла в сочетании с перемешиванием ультразвуком.
Характерные примеры композитов 1 типа
- Алюминий с частицами Al2O3. Он хорошо обрабатывается резанием, деформируется в горячем состоянии ковкой и штамповкой, сваривается аргонодуговой и контактной сваркой. Детали (лопатки компрессоров, вентиляторов, турбин, поршневые штоки)
работают при 300...500 0C. Обычный алюминий при этих температурах разупрочняется.
- Никель с частицами диоксида тория ThO2 или диоксида гафния HfO2 (не более
2%). При низких температурах уступает по прочности жаропрочным никелевым сплавам,
однако при высоких температурах намного превосходит. Деформируется ковкой, штамповкой и т. д. Детали соединяют пайкой или диффузионной сваркой без расплавления
(при расплавлении происходит агломерация частиц наполнителя и потеря жаропрочности). Детали (авиационных двигателей) работают при 1100...1200 0C в агрессивных средах. Это сопловые лопатки, стабилизаторы пламени, камеры сгорания, трубопроводы.
Композит 2 типа: упрочнителями являются нитевидные кристаллы, волокна или
проволоки. Матрица чаще всего металлическая (Al, Ni и др.). Матрица защищает волокна
от повреждений, передает нагрузку на волокна и перераспределяет напряжения в случае
разрыва отдельных волокон.
Требования к композитам 2 типа:
- волокно должно иметь более высокие значения модуля упругости, чем у матрицы;
- прочные волокна должны быть равномерно распределены в пластичной матрице;
- объем упрочняющих волокон в матрице должен быть больше критического значения (иначе прочность не повышается, а наоборот снижается);
- на границе между матрицей и волокном при нагружении композита не должно
возникать проскальзывания вплоть до разрушения композита.
На границе между матрицей и волокном композита происходят диффузионные
процессы, химические реакции, образуются интерметаллиды (хрупкие фазы – соединения металлов). С одной стороны, это увеличивает сцепление между матрицей и волокном, с другой – снижает прочность волокна. Проблему снижения прочности решают нанесением покрытий на волокна и легированием матрицы.
Композиты, армированные волокнами – анизотропный материал (механические
свойства зависят от угла взаимного расположения волокон и вектора нагрузки, то есть
механические свойства будут неодинаковы в разных направлениях). Недостаток анизотропии может быть устранен при армировании матрицы сетками из волокон.
Методы получения композитов, армированных волокнами:
1. Твердофазные.
Материал матрицы в виде листов, проволоки или порошка соединяют с волокнами
диффузионной сваркой под давлением, сваркой взрывом, прокаткой, прессованием с последующим спеканием (порошковой металлургией).
2. Жидкофазные.
Волокна пропитываются расплавом материала матрицы в вакууме или под давлением. (применение метода ограничено из-за реакции волокон с металлическим расплавом).
3. Газопарофазные.
Этим методом наносят на волокна барьерные покрытия, которые защищают их от
разрушения (нитриды, бориды, оксиды, карбиды). Покрытия получают разложением летучих карбонилов либо испарением металлов с одновременным термическим воздействием электронного луча, ионного пучка. Производительность этих методов крайне низкая.
4. Плазменное напыление.
Покрытие из матричного материала наносится на волокна без существенного повышения их температуры, однако прочность связи такого покрытия невысокая.
5. Химические.
Позволяют осаждать металлические покрытия на непроводящие ток кристаллы
сапфира, углеродные волокна и т. д. Ионы металла восстанавливаются на поверхности
волокон.
6. Электролиз.
Волокна находятся в контакте с катодом.
Армирующие материалы и их свойства
1. Проволоки.
Это наиболее экономичный и доступный армирующий материал. Диаметр – десятые и сотые доли миллиметра. Используется сталь, бериллий (при невысоких температурах эксплуатации композита), молибден, вольфрам (при высоких температурах). Проволоку получают волочением, при этом происходит увеличение прочности и снижается
пластичность.
2. Волокна.
2.1. Углеродные волокна.
Получают из полиакрилнитрильного гидроцеллюлозного волокна или из волокон
на основе нефтяных смол методом термического разложения. При этом происходит
окисление (при t=200...300 0С, создается оптимальная структура углерода), карбонизация (свыше 900 0С в атмосфере водорода, волокнам придается огнестойкость), и графи-
тизация (свыше 2500 0С в инертной среде). Температура графитизации влияет на свойства волокон (прочность, упругость).
Промышленно выпускаются волокна в виде жгутов из 1000...160000 волокон каждый. Диаметр отдельного волокна около 7 мкм.
Углеродные волокна окисляются на воздухе, химически активны при взаимодействии с металлическими матрицами, имеют слабую адгезию с полимерными матрицами.
Эти недостатки устраняются при нанесении на волокна защитных покрытий (металл, керамика).
2.2. Борные волокна.
Получают осаждением бора из газовой фазы на нагретую вольфрамовую проволоку диаметром 12 мкм. Образуется волокно из поликристаллов бора диаметром 70...200
мкм, у которого сердцевина диаметром 15...17 мкм состоит из боридов вольфрама,
имеющих меньшую прочность. Борное волокно сочетает низкую плотность, высокую
прочность и высокий модуль упругости при температуре плавления 2300 0С. Промышленно выпускаются в виде моноволокон на катушках и в виде лент полотняного плетения шириной 5...50 см. Волокнами бора армируют полимерные и алюминиевые матрицы.
2.3. Волокна карбида кремния.
Получают аналогично борным. Уступают борным по прочности и качеству.
2.4. Стеклянные волокна.
Основа – диоксид кремния SiO2. Получают пропусканием расплавленного стекла
при 1200–1400 0С через фильеры диаметром 0,8...3 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием до диаметра 3...100 мкм. Соединяют в пряди на барабанах. Широко используют для
армирования пластиков.
2.5. Волокна из оксида алюминия.
3. Нитевидные кристаллы (усы).
SiC, Al2O3, B4C, Si3N4 и др. тугоплавкие карбиды и нитриды. Получают осаждением из газовой фазы. Длина кристаллов достигает 60...80 мкм. Имеют прочность близкую
к теоретической.
Эвтектические композиты
Это сплавы эвтектического состава (механическая смесь), в которых упрочняющей
фазой выступают ориентированные кристаллы, полученные направленной кристаллизацией. В качестве кристаллов твердой прочной фазы выступают карбиды, интерметаллиды. Форма кристаллов – волокна (если их доля меньше 32 %) или пластины.
Достоинства эвтектических композитов:
- простота получения за одну операцию;
- направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых
изделиях;
- композит имеет высокую термическую стабильность;
- нет химического взаимодействия, ослабляющего волокна.
Матрица – Al, Mg, Cu, Ni, Co, Ti, Nb, Ta и др.
Пример эвтектического композита: композиция Al + Al3Ni. Направленность частиц
Al3Ni достигается кристаллизацией со скоростью 2–10 см/час, при этом прочность сплава
возрастает от 90 до 330 МПа.
Композиты на неметаллической основе
Матрица – эпоксидная, полиэфирная, фенольная и др. смолы. Волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические.
Достоинства неметаллических композитов: стойкость к воздействию агрессивных
сред, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства, теплозащитные и амортизационные свойства, невысокая стоимость.
Недостатки неметаллических композитов: низкая прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, снижение прочности уже при T=100...200 0С, старение.
Обработка и соединение композитов
Ввиду того, что изменение размеров и формы композитов связано с объективными трудностями (разрушение волокон и др.), необходимо по возможности совмещать
процесс получения композита и изготовления из него детали.
При необходимости, соединение композитов производят через матрицу. Если в
месте соединения волокна разрываются, то для обеспечения прочности соединения используют большие перекрытия (отношение длины перекрытия к толщине изделия L/S >
20).
Металлические композиты надежнее и дешевле всего соединять точечной сваркой
(волокна при этом не перерезаются).
Соединение с помощью болтов, заклепок менее эффективно (разрушаются волокна).
Также используется пайка и склеивание.
Композиты в основном хорошо обрабатываются резанием. Широко применяется
резка абразивным инструментом. Трудности возникают при резании композитов с
вольфрамовой проволокой Ø 0,3 мм и более. Не поддаются обработке резанием (быстро
разрушают инструмент и сами разрушаются) композиты с борным волокном.