Композиционные материалы icon

Композиционные материалы




НазваКомпозиционные материалы
Сторінка2/12
Дата15.05.2013
Розмір2.79 Mb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Рисунок 10 – Схемы сотовых КМ различной толщины из алюминия (t = 4 мм; плотность – 0,037 т/м3): а – t; б - 2t; в - 4t [16]

    1. ^ Классификация КМ по методам получения


Классификация КМ по методам получения является в определенной степени условной и временной, отражающей сегодняшний уровень технологических достижений.

В ряде литературных источников [3, 12] предложена классификация для металлических КМ, которая достаточно часто распространяется и на другие виды композитов. При этом выделяются следующие процессы получения и обработки композитов:

- химические, связанные с химическим, электрохимическим и термохимическим осаждением;

- газо- и парофазные, связанные с конденсацией из газовой и паровой фазы;

- жидкофазные, связанные с направленной кристаллизацией и (или) пропиткой подготовленных каркасов наполнителя;

- твердофазные, связанные прежде всего с порошковой технологией, диффузионным сращиванием и другими термомеханическими технологиями;

- комбинированные, основанные на сочетании перечисленных выше процессов.



    1. ^ Классификация КМ по назначению


Обычно КМ не классифицируют по назначению, так как любая классификация по этому признаку носит достаточно условный и подчас конъюнктурный характер, поскольку КМ обычно являются многоцелевыми. Возможно условное деление КМ на конструкционные и функциональные.

Последние представляют большую группу материалов с особыми физическими свойствами.

Помимо необходимости воспринимать механические нагрузки, КМ должен выполнять и дополнительные функции. Поэтому конструкционные КМ в некоторой степени являются и функциональными и в зависимости от назначения помимо комплекса механических свойств, должны обладать еще и комплексом специальных свойств, например, жаропрочностью и жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью и т. д. Соответственно и конструкционные КМ должны разделяться на подклассы различного назначения или, что наиболее желательно, один и тот же композит должен обеспечивать необходимый комплекс механических и специальных свойств.


^ 2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ КМ


2.1 Упругие характеристики КМ


Связь между упругими напряжениями σ, действующими на тело, и деформациями ε, вызванными этими напряжениями, устанавливает закон Гука. Для одностороннего растяжения или сжатия изотропного тела, на которое действует только одна сила, закон Гука записывается в виде

σ = Е · ε . 1

Коэффициент пропорциональности Е называют модулем упругости, или модулем нормальной упругости, или модулем Юнга.

Оценки упругих характеристик КМ основываются на допущениях о жесткой связи между матрицей и волокнами, их совместной деформации и подчинении закону Гука [12].

Для простейшей модели КМ – системы жестко связанных и чередующихся изотропных стержней, обладающих характеристиками волокна, и матрицы – продольный модуль упругости Ex (в направлении, продольном оси волокон) рассчитывается по уравнению аддитивности, или правилу смесей:

Ex = Ef Vf + Em Vm =  Ef Vf + Em(1 - Vm) , 2

где Ef, Em – модуль упругости волокон и матрицы;

Vf, Vm – объемная доля волокон и матрицы.

Поперечный модуль упругости Ey (в направлении, перпендикулярном оси волокон) определяется из выражения

3

По аналогии с растяжением связь между касательными напряжениями τ и соответствующими упругими сдвиговыми деформациями γ можно записать в виде выражения

τ = · γ , 4

где G – модуль упругости при сдвиге (модуль сдвига).

В однонаправленном КМ при совпадении оси х с направлением укладки волокон модули Gху и Gхz характеризуют упругие сдвиги КМ в двух плоскостях ху и xz, параллельных волокнам. Правило аддитивности для КМ со сплошными волокнами можно представить следующим образом:

5

где Gf, Gm – модуль сдвига волокон и матрицы.

При одноосном растяжении изотропного материала наряду с увеличением его длины в направлении действия силы (например, по оси х) уменьшаются поперечные размеры вдоль двух других осей (у и х). Отношение относительных деформаций тела в поперечном εу и продольном εх направлениях называют коэффициентом Пуассона μ:

6

Величина μху однонаправленного двухкомпонентного КМ правилу смесей оценивается следующим образом:

μху  =  μf Vf + μm Vm = μf Vf + μm (1 + Vf) , 7

где μf, μm – коэффициент Пуассона волокон и матрицы.

Следует отметить, что приведенные соотношения можно рассматривать только как приближенные, оценочные, поскольку модели расчета идеализированы. Технологические дефекты, неоднородность распределения волокон по объему КМ, разориентация и неоднородность свойств компонентов приводят к тому, что реальные характеристики армированных композиций отличаются от расчетных. Поэтому для паспортизации КМ обычно используют экспериментально определенные упругие константы.



    1. ^ Прочность однонаправленных КМ с непрерывными

волокнами в направлении армирования


Рассмотрим характер деформации однонаправленного КМ под действием растягивающей нагрузки, приложенной параллельно оси волокон (рис. 11). Предположим, что матрица более пластична (εm пред > εf пред) и имеет меньший модуль упругости, чем волокна.

Рисунок 11 – Диаграмма растяжения: 1 – волокон; 2 – од-

нонаправленного КМ; 3 - матрицы

В общем случае кривая растяжения 2 должна состоять из трех основных участков:

І – матрица и волокна деформируются упруго;

ІІ – матрица переходит в упру-

гопластическое

состояние, волокна продолжают деформироваться упруго;

ІІІ – оба компонента системы находятся в состоянии пластической деформации.

В зависимости от свойств составляющих участки ІІ и ІІІ на кривой могут отсутствовать.

Примем, что прочность связи на границе раздела матрица-волокно достаточна для того, чтобы обеспечить совместную деформацию компонентов вплоть до разрушения, т.е. εf = εm = εкм . Тогда внешняя нагрузка, воспринимаемая армированным материалом, равна сумме нагрузок, приходящихся на матрицу и волокна, что позволяет выразить предел прочности КМ при растяжении в виде линейной функции от объемной доли волокон Vf:

8

где - предел прочности волокна при растяжении;

- напряжение в матрице в момент разрыва волокна.

При этом это не предел прочности матрицы, а напряжение, соответствующее такой ее деформации, которая равна предельной деформации волокон до разрушения εf пред.. Чтобы определить величину , необходимо из точки ^ С, соответствующей относительной деформации волокон εf, восстановить перпендикуляр. Ордината точки D пересечения этой прямой с кривой 3 равна . Для неупрочняющихся матриц величину берут равной пределу текучести матрицы.



    1. ^ Оптимальная объемная доля волокон


В соответствии с уравнением (8) прочность КМ возрастает пропорционально объемной концентрации волокон Vf [12]. Однако это уравнение описывает прочность КМ не при всех значениях Vf.

Существуют геометрические ограничения, связанные с существованием максимально возможной концентрации цилиндрических волокон Vmax. Величина Vmax зависит от типа упаковки волокон и соответствует такому положению, когда образующие волокон касаются друг друга (рис.12).


Рисунок 12 – Схемы упаковки однонаправленных волокон диаметром d в: а – тетрагональная при непосредственном контакте; б – гексагональная при непосредственном контакте; в – тетрагональная при непосредственном контакте с использование волокон различного диаметра; г – тетрагональная с прослойками матрицы δ min; д – гексагональная с прослойками матрицы δ min [12]

Для тетрагональной упаковки (рис. 12 а) ^ Vmax = 0,785; для гексагональной (рис. 12 б) Vmax = 0,907; если использовать волокна различного диаметра (рис. 12 в), можно достигнуть значений Vmax  0,924. В реальных КМ концентрация волокон всегда меньше Vmax , так как между волокнами всегда имеется прослойка матрицы толщиной δ min (рис. 12 г, д). В этих случаях при тетрагональной упаковке (рис. 12 г)

9

при гексагональной (рис. 12 д)

10

При Vf > 0,70-0,75 КМ проявляет склонность к образованию трещин и расслоений, поэтому такие значения считают верхней границей для большинства КМ.

При очень малых значениях Vf хрупкие волокна не могут ограничить деформацию матрицы и разрушаются, при этом матрица еще имеет запас прочности и воспринимает нагрузку. В этом случае прочность КМ ниже, чем прочность неармированной матрицы, поскольку введение волокна равносильно введению в матрицу нитевидных пор. Зависимость прочности композиции от объемной доли волокон при этом выражается формулой

11

где - предел прочности матрицы.

Зависимость прочности КМ от объемной концентрации волокон по уравнению (8) – прямая 1 и (11) – прямая 2 показана на рисунке 13.

Рисунок 13 – Зависимость прочности одно направленных КМ от объемной концентрации волокон: 1 – по уравнению 8; 2 – по уравнению 11

Объемная доля волокон, соответствующая точке пересечения этих прямых, называется минимальной объемной концентрацией волокон Vmin. Если Vf < Vmin, прочность КМ уменьшается пропорционально увеличению объемной доли волокон, а при Vf > Vmin возрастает. Значения минимальной объемной доли волокон можно определить, решая систему уравнений (8) и (11) относительно Vmin:

12

Критической объемной долей волокон ^ Vкр называют такую объемную долю, при которой прочность КМ равна прочности неармированной матрицы. Величину Vкр можно рассчитать из

13

Для более рационального армирования желательно иметь значения Vкр и Vmin как можно меньшими, чтобы достигнуть упрочнения при небольшой объемной доле волокон. На практике этого добиваются, вводя в матрицу волокна с пределом прочности, значительно превышающим (величина для пластичных материалов блика к их пределу текучести).

Механизмы разрушения КМ при Vf > Vmin отличаются от механизмов разрушения при Vf < Vmin.

В случае Vf > Vmin прочность материала контролируется прочностью волокон, и разрушение даже небольшой их части вызывает согласно рассматриваемой модели катастрофическое разрушение матрицы и всего КМ. Такой вид разрушения называется единичным.

Если Vf < Vmin и пластичная матрица подвергается деформационному упрочнению при растяжении, то разрыв волокон не приводит к немедленному разрушению материала. В момент разрыва волокон напряжение падает, но при дальнейшем нагружении матрица деформационно упрочняется и нагружает разрушенные волокна. В результате нагрузка восстанавливается до прежнего уровня. Весь КМ разрушится только после того, как исчерпается запас пластичности матрицы, т.е. общая деформация материала контролируется пластическими свойствами матрицы. При этом процессе нагружения волокна многократно разрываются по длине. Это явление называют множественным разрушением.



    1. ^ Влияние ориентации волокон на прочность однонаправленных КМ при растяжении


При воздействии растягивающих напряжений σ, действующих под углом θ к направлению укладки волокон, возможны три механизма разрушения КМ (рис. 14).

1 При малых значениях θ материал разрушается в результате разрыва волокон от нормальных напряжений за счет течения матрицы параллельно волокнам. Если прочностью матрицы пренебречь, то нормальные напряжения σн в волокнах определятся как отношение силы Рн, действующей в направлении θ (Рн = σF cos θ, где F – площадь сечения, перпендикулярного к направлению действия внешнего напряжения σ), к площади Fн сечения, перпендикулярного к оси волокон (Fн = F/ cos θ), откуда

σн = σ cos2 θ . 14

Рисунок 14 – Зависимость предела прочности однонаправленных КМ от ориентации волокон: 1 – по уравнению 14; 2 – по уравнению 15; 3 – по уравнению 18

Предел прочности σθ КМ в рассматриваемом случае можно рассчитать из уравнения (14), если считать, что σн = σв f, где σв f – предел прочности волокон:

15

Если значения θ малы (рис. 14, кривая 1), с ростом θ прочность может увеличиваться.

2 При некотором критическом значении θкр1 прочность КМ начинает контролироваться вторым механизмом – разрушением матрицы или границы раздела волокно - матрица в результате сдвига по плоскостям, параллельным волокнам. Сдвиговые напряжения τ на этих плоскостях определяются соотношением

τ = σ sin θ cos θ , 16

а прочность σθ КМ – формулой

17

где τи – предел прочности матрицы или границы раздела

при сдвиге.

Минимум прочности при действии второго механизма соответствует углу θ = 45 º.

Величина θкр1 определяется абсциссой точки пересечения кривых 1 и 2 и может быть рассчитана решением системы уравнений (15) и (17):

18

3 При больших значениях θ прочность КМ определяется третьим видом разрушения (рис.14, кривая 3), который контролируется нормальной прочностью матрицы или границы раздела в направлении, перпендикулярном к волокнам. Прочность КМ в этом случае выражается соотношением

19

где - предел прочности матрицы в условиях плоской

деформации.

Величину θкр2, соответствующую смене второго механизма третьим, определяют, решая систему уравнений (17) и (19):

20

Исходя из уравнения (20), чем больше отношение нормальной прочности матрицы к ее сдвиговой прочности, тем больше величина θкр2.



    1. ^ Прочность при растяжении КМ, армированных

дискретными волокнами


При расчете прочности КМ, армированных дискретными волокнами, учитывают так называемый «концевой эффект», связанный с концентрацией напряжений у концов волокон, который сказывается на прочности КМ в целом.

При продольном нагружении КМ, армированного параллельно уложенными короткими волокнами длиной l, нагрузка передается волокнами за счет касательных напряжений на поверхности раздела между волокнами и матрицей.

В зависимости от длины возможны два случая поведения волокон.

При l < lкр величина растягивающих напряжений недостаточна для того, чтобы вызвать разрушение волокна, поэтому они вытягиваются из матрицы и их прочность оказывается недоиспользованной.

При l > lкр волокна разрушаются от растягивающих напряжений, при этом чем больше l, тем большую прочность КМ имеет в целом.

Критической длиной волокон lкр называют минимальную длину волокон, при которой они разрушаются в КМ. Величина lкр зависит от прочности связи между матрицей и волокнами и диаметра волокон. Если принять, что по длине волокна касательные напряжения распределены равномерно, то значение lкр можно найти из условия равновесия касательных и нормальных напряжений, действующих на волокно (рис. 15):

21

где τ – касательные напряжения на границе раздела волок-

но- матрица;

σв – нормальные растягивающие напряжения в волокне;

dв – диаметр волокна;

l   – длина волокна.

Рисунок 15 – Силы, действующие на волокно при растяжении КМ

При = lкр в момент разрушения КМ касательные напряжения равны сдвиговой прочности границы раздела τг.р, а растягивающие напряжения на волокнах - их пределу прочности . Поэтому

22

Таким образом, критическая длина волокон увеличивается с уменьшением прочности границы раздела и увеличением прочности волокон и их диаметра. В КМ с пластичной матрицей максимальное касательное напряжение может лимитироваться пределом текучести матрицы.

Обычно в расчетах используют безразмерную величину lкр/dв, а не абсолютное значение lкр, поскольку она не зависит от диаметра волокна. Расчеты показывают, что для армированных металлов lкр/dв лежит в пределах 10-250, а для пластиков эта величина может равняться 350 и более.

Прочность КМ, упрочненных параллельными отрезками волокон, в направлении укладки волокон оценивается по уравнению аддитивности с учетом концевого эффекта.

При l < lкр разрушение сопровождается вытягиванием волокон из матрицы

23

Прочность таких КМ возрастает с увеличением объемной доли волокон, отношения длины волокон к диаметру и прочности границы раздела.

При l > lкр

24

где k < 1 – коэффициент. Если напряжения от концов во-

локон растут линейно, k = 0,5.

Расчеты показывают, что уже при lкр/dв > 10 прочность КМ с дискретными волокнами достигает 90 % прочности КМ с непрерывными волокнами. Таким образом, армирование дискретными волокнами позволяет получить ту же прочность композиции, если отрезки волокон достаточно длинны.

Критическая доля дискретных волокон в КМ определяется по формуле

25

Критическая и минимальная доля дискретных волокон всегда больше, чем соответствующие значения для непрерывных волокон.



    1. Прочность КМ при сжатии


При продольном сжатии однонаправленных КМ возможны два вида разрушения, обусловленных потерей устойчивости волокон.

Первый вид реализуется, когда смежные волокна выпучиваются в противоположных направлениях (рис. 15 а) симметрично относительно плоскости, проходящей между соседними волокнами, второй – когда волокна, изгибаясь в одной фазе, образуют асимметричную картину (рис. 15 б) относительно этой плоскости.

Рисунок 15 – Двухмерная модель сжатия однонаправленного КМ: а – симметричное выпучивание волокон; б – асимметричное выпучивание волокон

Разрушение в первом случае происходит по так называемой моде растяжения – за счет растяжения матрицы перпендикулярно оси волокон, во втором - по «моде сдвига» - матрица разрушается за счет деформации сдвига.

В первом случае прочность КМ определяется по формуле


26

во втором - по формуле

27

При малых объемных долях волокон разрушение происходит по «моде растяжения», а при больших по «моде сдвига».

Критическая деформация εкр, соответствующая разрушению КМ по «моде растяжения», определяется по формуле

28

соответствующая разрушению по «моде сдвига» - по формуле

29

Теоретически рассчитанные значения прочности КМ при сжатии ближе к экспериментальным, если учитывается пластичность матрицы. Этот учет осуществляется путем замены модуля упругости текущими модулями, зависящими от деформации и уменьшающимися с ее увеличением.

Чем больше E/Gm, тем шире область значений E, в которой наблюдается разрушение по «моде растяжения». В реальных КМ область значений E, в которой происходит разрушение по «моде сдвига», намного больше, чем область разрушения по «моде растяжения». Реальная прочность полимерных КМ обычно существенно ниже расчетной, тогда как для металлических КМ соответствие эксперимента с оценками по формуле (26) и (27) лучше.



    1. ^ Вязкость разрушения КМ


Сопротивление распространению трещин или вязкость разрушения является одной из наиболее важных характеристик конструкционных материалов. Практически в любом материале присутствуют внутренние дефекты (поры, трещины, надрезы и т.п.), которые под действием даже небольших напряжений могут увеличиться и привести к катастрофическому разрушению.

Энергетический подход к анализу разрушения материалов, базирующийся на теории А.Гриффитса, дает возможность оценивать сопротивление продвижению трещин с помощью критерия Gc, представляющего собой скорость освобождения упругой энергии при раскрытии трещины. Величина силы G, необходимой для распространения трещины на единицу длины, определяется при плосконапряженном состоянии с помощью соотношения

30

где σ – приложенное напряжение;

а – длина трещины;

Е – модуль упругости.

Параметр G называют также вязкостью разрушения. Величина ^ G достигает критического значения Gc, когда произведение σ2а становится критическим. Начиная с этого момента, трещина растет самопроизвольно, затраты энергии для ее дальнейшего роста не нужны, освобождающаяся упругая энергия при раскрытии трещины превышает поверхностную энергию, необходимую для образования новой поверхности разрушения. Трещина становится неустойчивой и, распространяясь по телу материала, приводит к его разрушению.

Критическое значение параметра Gc может служить мерой сопротивления материала распространению трещин или мерой вязкости разрушения.

Для изотропных материалов вязкость разрушения Gc растет с увеличением пластичности и предела текучести материала. Это справедливо и для каждого из компонентов КМ. Однако для армированных материалов характерны и такие механизмы повышения вязкости разрушения, которые отсутствуют в гомогенных материалах. Эти механизмы связаны с наличием у КМ большого количества поверхностей раздела, которые могут тормозить распространение трещин (рис. 16).

Рисунок 16 – Схематическое изображение трещины, распространяющейся в КМ:1 – волокна; 2 – матрица; 3 – трещина [12]


Известно, по крайней мере, два явления, способствующих интенсивной диссипации энергии движения трещины - вытягивание волокон из матрицы и разрушение границ раздела.

При вытягивании волокон дополнительное сопротивление распространению трещин, развившихся в матрице, возникает в виде сил трения между вытягиваемым волокном и матрицей, при разрушении границ – в процессе разрыва связей между волокном и матрицей. Обычно эти два механизма действуют последовательно.

Вблизи вершины трещины (область Б), продвигающейся перпендикулярно волокнам, разрушаются границы раздела и появляются малые сдвиги волокон относительно матрицы. В области А происходит интенсивное вытягивание волокон.

В зависимости от размеров трещины, природы компонентов и прочности границ раздела вклад этих двух явлений в вязкость разрушения КМ может быть различным.

Если длина волокон значительно превышает критическую, то большинство волокон рвутся, а не вытягиваются, и вклад работы вытягивания Wвыт волокон в общую вязкость невелик.

При длине волокон l ≤ lкр основной вклад в работу разрушения вносит Wвыт.

В большинстве случаев энергетические затраты на вытягивание волокон существенно больше работы разрушения связей Wг.р на границе раздела. Это создает предпосылки для создания КМ с высокой вязкостью разрушения даже в тех случаях, когда матрица и волокна КМ по своей природе хрупки. В этом случае важно обеспечить условие, когда разрушение КМ сопровождается вытягиванием волокон. При этом вязкость хрупких материалов можно резко увеличить за счет армирования их вязкими и пластичными волокнами.

Рассмотрим вклад различных механизмов в разрушение КМ.

^ Композиционный материал: хрупкая матрица - хрупкое волокно. Наиболее радикальный путь повышения вязкости разрушения таких КМ – армирование их дискретными волокнами таких размеров, при которых волокна вытягиваются из матрицы в процессе раскрытия трещины. Если в такой системе механизм вытягивания волокон действует, то затраты энергии на вытягивание значительно превышают работу разрушения каждого компонента в отдельности, и в первом приближении можно предположить, что работа разрушения КМ равна работе вытягивания волокон.

Наибольшая работа разрушения ^ Wmax реализуется, когда l = lкр. При этом

31

Уравнение (31) показывает, что максимальную работу разрушения КМ можно увеличить, повышая значение . Поскольку предел прочности волокон σв f и их концентрация Vf заданы, а значение lкр пропорционально диаметру волокон, то из уравнения (31) следует, что чем больше диаметр волокон dв, тем больше разрушения КМ с вытягивающимися волокнами.

Так как уровень прочности применяемых волокон обычно задан, повысить ^ Wmax можно, уменьшая прочность связи τ. При этом возрастает lкр. При этом такое повышение связано с потерей прочности КМ при сдвиге, сжатии и растяжении в направлении, перпендикулярном к оси волокон. В связи с этим целесообразнее увеличивать dв, т.е. армировать матрицу толстыми волокнами. Технологически оправданы диаметры 0,05-0,50.

Работа разрушения для КМ, армированного короткими волокнами, может быть больше, чем для КМ с непрерывными волокнами. В то же время у КМ с непрерывными волокнами предел прочности выше. В этом случае вариант армирования выбирают в зависимости от условий эксплуатации КМ.

Если при распространении трещин в КМ хрупкая матрица – хрупкое волокно разрушается, а не вытягивается, вязкость разрушения такого материала останется низкой.

^ Композиционный материал: хрупкая матрица - пластичное волокно. В таких системах КМ наряду с вытягиванием волокон происходят процессы разрушения самих волокон. Трещина, образовавшаяся в хрупкой матрице, подходя к волокну, приводит к появлению в нем растягивающих напряжений. Если прочность границы раздела достаточно высока, то волокно разрушится при достижении предельно деформации, обусловленной раскрытием трещины. Поскольку вязкость пластичных волокон высока, они до определенного предела тормозят развитие трещины.

В этом случае для оценки вязкости разрушения может быть использован параметр Кс – критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины. Анализ взаимодействия пластичного непрерывного волокна с трещиной позволяет получить следующее выражение для Кс:

32

где Екм – модуль упругости КМ;

μкм – коэффициент Пуассона КМ;

γm – поверхностная энергия матрицы;

τ  - прочность на границе раздела волокно – матрица.

Из уравнения (32) следует, что вязкость разрушения рассматриваемой системы КМ можно повышать, увеличивая диаметр, прочность и объемную долю волокон, т.е. за счет тех же параметров, что и в случае вытягивания волокон. Одним из способов повышения сопротивления распространению трещин в этой системе есть снижение прочности границы раздела между матрицей и волокном. Однако при этом снижается прочность КМ.

Вязкость разрушения этой системе КМ при l < lкр контролируется процессами вытягивания, а при » lкр - процессами разрушения волокон.

Композиционный материал: пластичная матрица - хрупкое волокно. В КМ этой системы для повышения вязкости необходимо обеспечить условия, при которых бы волокна не разрушались, а вытягивались из матрицы. Выполнения этого условия добиваются, армируя матрицу короткими волокнами.

При армировании непрерывными волокнами вязкость разрушения матрицы Gc m оценивается соотношением

33

где εm – относительная деформация матрицы.

Сопротивление распространению трещин в этом случае увеличивается пропорционально диаметру волокон и уменьшается с увеличением их объемной доли Vf. Чем больше прочность и пластичность матрицы, тем выше вязкость ее разрушения.



  1. ^ ВИДЫ, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АРМИРУЮЩИХ

КОМПОНЕНТОВ


    1. Требования, предъявляемые к волокнам


Преимущество их нитевидной формы состоит в высокой прочности и возможности создать упрочнение только в том направлении, в котором это требуется конструктивно, что обеспечивает максимальное использование свойств волокон. Недостаток такой формы заключается в том, что волокна способны передавать нагрузку только в направлении своей оси, тогда как в перпендикулярном направлении упрочнения не происходит, а в некоторых случаях может проявляться даже разупрочнение.

Волокна, применяемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства:

- высокую температуру плавления;

- низкую плотность;

- высокую прочность в интервале рабочих температур;

- высокую технологичность;

- минимальную растворимость в матрицу;

- высокую химическую стойкость;

- отсутствие фазовых превращений в интервале рабочих

температур;

- отсутствие токсичности при изготовлении и эксплуата-

ции.

При проектировании, изделий для изготовления которых необходимо изгибать волокна под радиусом ^ R, определяют максимально допустимый диаметр dmax по формуле, учитывающей прочность σв и модуль нормальной упругости Е:

34

Если диаметр волокон больше максимально допустимого, то при изгибе они будут разрушаться.

Для армирования применяют в основном три вида волокон:

- нитевидные кристаллы («усы»);

- металлическую проволоку;

- неорганические поликристаллические волокна.



    1. ^ Нитевидные кристаллы


Нитевидные кристаллы, или «усы» (wiskers), - тонкие дискретные волокна с монокристаллической структурой. Волокнистой монокристаллической структурой обладают такие природные минералы, как асбест и нефрит. В природных кристаллах рубина и кварца наблюдают иглообразные включения рутила TiO2.

Кроме, собственно, усов, для армирования используют также вискеризованные волокна - тонкие волокна, поверхность которых покрыта «усами» относительно небольшой длины. Вискеризация – это выращивание монокристаллов бора на поверхности углеродных, борных и других видов 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.

Диаметр нитевидных кристаллов обычно не превышает 10 мкм, а отношение длины к диаметру (l/d) составляет 20-100, но может достигать и 1000. «Усам» присуща особо высокая прочность и жесткость. Высокая прочность объясняется совершенством их структуры, для которой характерна очень малая плотность дислокаций. Доказано, что скручивание «усов» в процессе образование монокристаллов Al2O3 и SiO2 вызвано наличием в них единственной винтовой дислокации, расположенной вдоль оси роста кристаллов. В нитевидных кристаллах, в отличие от поликристаллических волокон, не могут идти процессы рекристаллизации, обычно вызывающие резкое падение прочности при высоких температурах.

Свойства наиболее изученных нитевидных кристаллов приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Свойства некоторых нитевидных кристаллов [12]

Материал

кристаллов

Температура

плавления, º С

Плотность ρ,

т/м3

Модуль упругости Е, ГПа

Предел прочности σв, МПа

Удельная прочность σв/(ρg),

км

Удельный модуль упругости E/(ρg), км

Графит

3460

1,66

710

19950

1075

42500

SiC

2665

3,32

490

21000

650

15200

BeO

2560

2,27

350

13300

450

12300

B4C

2450

2,49

450

14000

550

20000

Al2O3

2040

3,88

640

28000

525

10000

Si3N4

1675

3,32

310

14000

425

12000

Fe

1540

6,37

200

13300

200

3200

Cr

1665

7,50

230

9030

125

3200

Cu

1080

8,86

130

3000

25

1500

Наиболее высокие характеристики имеют керамические «усы». Нитевидные кристаллы металлов уступают им по прочности и модулю упругости. Высокая плотность металлов значительно снижает удельную прочность и удельную упругость их «усов» по сравнению с показателями керамики. Металлические «усы» не совместимы с металлическими матрицами и не пригодны для создания металлических композиций.

Керамические нитевидные кристаллы обладают лучшей совместимостью с металлами. Обладая значительными высокотемпературными характеристиками, они выступают хорошими упрочнителями металлических композиций. Следует отметить, что нитевидные кристаллы графита, имея высокие абсолютные и удельные прочностные характеристики, не устойчивы в металлических композициях при высоких температурах.

К недостаткам нитевидных кристаллов относят сложности процессов, связанных с отбором годных «усов» в условиях промышленного производства, ориентации их в матрице, формирования композиций с «усами».

Интерес к промышленным методам производства нитевидных кристаллов как наиболее эффективных упрочнителей начал проявляться с начала 50-х годов ХХ века. Наибольшее распространение получили следующие:

- выращивание из покрытий;

- выращивание в электрическом поле;

- осаждение из газовой фазы;

- осаждение из парогазовой среды;

- химические способы.

^ Выращивание нитевидных кристаллов из покрытий. Нитевидные кристаллы легкоплавких металлов (Zn, Cd, Sn и др.) при комнатной температуре растут самопроизвольно из покрытий, которые наносят электролитически, путем парового осаждения или путем погружения подложки в расплавленный металл. Длина таких усов не превышает нескольких миллиметров, а поперечные размеры составляют 0,1- 0,2 мкм, но могут достигать и 5 мкм. Скорость роста «усов» из покрытий обычно мала (0,05-0,400 Å/с), однако возрастает в несколько тысяч раз при приложении давления, а также в условиях повышенных температур и окислительной атмосферы.

^ Выращивание нитевидных кристаллов в электрическом поле. Нитевидные кристаллы некоторых металлов (Fe, Ag, Cu и др.) получают электрическим осаждением в присутствии органических примесей типа желатина, олеиновой кислоты и глюкозы, а также неорганических частиц, например, стекла или графита. Процесс ведут при больших плотностях тока, используя катоды с малой рабочей поверхностью. В процессе образования и роста кристаллов на боковых гранях катодов адсорбируются молекулы примесей, которые ограничивают рост «усов» в поперечном направлении. Ввиду неизбежного загрязнения примесями и газами прочность нитей, полученных при электролизе, всегда ниже прочности кристаллов, полученных другими методами.

^ Осаждение из газовой фазы. Основано на испарении исходного вещества при последующем массопереносе через газовую фазу и конденсации в зоне осаждения. Для выращивания металлических «усов» используется кристаллизационная камера (рис. 17) с управляемым градиентом температур.

Рисунок 17 – Схема кристаллизационной камеры для получения нитевидных кристаллов из газовой фазы: 1 - печь с температурой Т1; 2 - печь с температурой Т2; 3 – ампула с исходными кристаллами

При температуре Т2 вещество, помещенное на дно ампулы, заполненной инертным газом, испаряется. Перемещаясь вверх, оно осаждается в виде нитевидных кристаллов на более холодных стенках ампулы в зоне температуры Т12 > Т1). На условия роста «усов» оказывают влияние градиент температур, давление пара и чистота исходного вещества.

Для получения нитевидных кристаллов тугоплавких соединений метод практически не пригоден вследствие малых размеров нитевидных кристаллов и низких скоростей роста, а также из-за сложности проведения процесса при высоких температурах.

^ Осаждение из парогазовой среды. Метод используют для производства нитевидных кристаллов тугоплавких соединений, таких как, Si3N4, SiC, MgO, B4C, Al2O3 и других. На рисунке 18 приведена схема установки для выращивания «усов» карбидов кремния методом осаждения из парогазовой среды.

Рисунок 18 –Схема установки для выращивания нитевидных кристаллов карбида кремния: 1 – печь; 2 – нагревательный элемент; 3 – барабан с тканью; 4 – камера загрузки; 5 – направляющие; 6 – тянущие валики; 7 – приемный барабан; 8 – камера выгрузки; 9 – контейнер с шихтой; 10 – лента [12]

Процесс получения «усов» карбида кремния ведут в газовой смеси с применением углеводородов и хлорсиланов:

SiCl4 + CH4 = SiC + 4 HCl; 35

CH3SiCl3 = SiC+ 3 HCl. 36

В качестве металлов-растворителей используют железо и алюминий. Установка для выращивания нитевидных кристаллов SiC на графитовой ленте 10 представляет собой герметичную проходную электрическую печь 1 с нагревательными элементами 2. На торцах печи устанавливают камеры 4, 8 с механизмом, позволяющим протягивать графитовую ленту 10. Сматываясь с барабана 3, лента проходит через рабочее пространство печи и с помощью тянущих валиков 6 наматывается на барабан 7. Нитевидные кристаллы вырастают непосредственно на ленте при 1250-1350 ºС. Рост происходит за счет пиролиза метилтрихлорсилана (CH3SiCl3) или за счет взаимодействия газовой среды, содержащей углерод, с шихтовыми материалами, помещаемыми в контейнер 9. Длительность цикла работы установки – 5-7 суток. После извлечения барабана 7 из камеры 8 нитевидные кристаллы легко отделяются от ленты.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Схожі:

Композиционные материалы iconМетодические указания к выполнению студентами лабораторного практикума по дисциплинам «Теория процессов и формирования напыленных покрытий» для специальности 090103 и «Композиционные и порошковые материалы и покрытия» для специальности 090401
«Теория процессов и формирования напыленных покрытий» для специальности 090103 и «Композиционные и
Композиционные материалы iconКомпозиционные материалы на основе модифицированной коры сосны
Фгбоу впо «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», 656038, Российская Федерация, Алтайский край,...
Композиционные материалы iconМеждународная научно-практическая конференция «композиционные материалы повышенной долговечности для строительства»
Содержание доклада объемом до 5 стр на одном из языков: русском, украинском или английском, оформленного согласно требованиям, приведенным...
Композиционные материалы iconТезисы международной научно-технической конференции «Функциональные и композиционные материалы»
Збірка доповiдей VІ міжнародної наукової конференції аспірантів та студентів «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання...
Композиционные материалы iconТребования к оформлению материалов в сборнике трудов конференции материалы до четырех полных страниц
Материалы до четырех полных страниц разместить на белой бумаге формата А4 (210х297) с полями 25 мм со всех сторон. Страницы не нумеровать....
Композиционные материалы iconДокументи
1. /Уч материалы/стр 1-62 Часть 1.doc
2. /Уч...

Композиционные материалы iconСумский государственный университет учебно-методические материалы
Учебно-методические материалы по развитию связной речи для студентов подготовительного отделения цмо / Составители: Е. А. Голованенко,...
Композиционные материалы iconОбъемно-планировочные решения зданий
Их сочетание определяет характер архитектурной композиции. Различают три основные композиционные системы, которые закладывают в основу...
Композиционные материалы iconПравила оформления материалов
Оргкомитет оставляет за собой право отклонять материалы, не соответствующие условиям конференции за стилистикой и содержанием или...
Композиционные материалы iconГосударственный стандарт союза сср система стандартов безопасности труда пожаровзрывоопасность веществ и материалов
Настоящий стандарт распространяется на простые вещества, химические соединения и их смеси в различных агрегатных состояниях и комбинациях,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи