Композиционные материалы icon

Композиционные материалы




НазваКомпозиционные материалы
Сторінка4/12
Дата15.05.2013
Розмір2.79 Mb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

^ Углеродные волокна. Углеродные волокна относятся к классу наиболее перспективных армирующих элементов в связи с низкой плотностью и высокими прочностью и модулем упругости.

До недавнего времени углеродные волокна и ткани из них применялись для изготовления теплозащитных материалов. Однако постоянное совершенствование технологии получения тонких волокон, сочетающих высокую прочность и жесткость с другими специальными свойствами (термостойкость, электропроводность и др.), позволило создать армированные угольными волокнами металлы и пластики, отличающиеся малой плотностью и высокой прочностью. Такие композиции широко применяются в космической, ракетной и авиационной технике. Свойства некоторых углеродных волокон приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Свойства некоторых углеродных волокон [2]

Марка волокна

Прочность,

МПа

Модуль упругости, ГПа

Плотность,

т/м3

Высокопрочные волокна

Т-300*

3600

235

1,76

Т-400H*

4500

255

1,80

T-800H*

5700

300

1,81

T-1000*

7200

300

1,82

Высокомодульные волокна

М-30*

4000

300

1,70

М-40*

2800

400

1,81

М-46*

2400

460

1,88

М-50*

2500

500

1,91

М-55J*

3700

550

1,93

HM-50**

2800

500




HM-55**

2900

550




HM-60**

3000

600




HM-80**

3240

785




Универсальные волокна

М-35*

5100

350

1,75

М-40*

4500

385

1,77

М-46*

4300

445

1,84

Волокна СНГ

ЛУ-П

2700-3000

250-270

1,70

Элур-П

3000-3200

200-250

1,70

УКН-П

3500

210-230

1,75

УКТ-ПМ

4000-4500

240

1,75

Кулон

2500-3300

450-500

1,95

Кулон-М

3000

600

1,95

Волокна из нефтяного пека (фирмы «Юнион Карбайд»)

Р-55

2100

380

2,0

Р-75

2100

520

2,0

Р-100

2400

690

2,2

Р-120

2200

827

2,2

* Волокна фирмы «Торей» (Япония).

** Волокна фирмы «Кагосима Сэкию» (Япония).

Сырьем для углеродных волокон служат используемые в текстильной промышленности органические волокна - вискоза (целлюлозное искусственное волокно) и полиакрилонитрил (ПАН), которые получают выдавливанием через фильеры соответствующего полимера в вязкотекучем состоянии.

Последнее время для получения углеродных волокон используют смолы, нефтяные и другие пеки (тяжелые полиароматические соединения), что позволяет снизить стоимость волокна.

Процесс получения углеродного волокна включает три этапа:

- нагрев исходного сырья до температур 200-300 ºС. При этом возникают поперечные связи между макромолекулами и волокна окисляются;

- нагрев до температур 1000-1500 ºС. После нагрева и выдержки при этой температуре волокно на 80-90 % состоит из элементарного углерода, еще сохраняющего надмолекулярную организацию исходных полимерных волокон;

- нагрев до температур 1500-3000 ºС. При этом получают волокно, на 98-99 % состоящее из углерода, закристаллизовавшегося в систему, близкую к графиту.

В зависимости от содержания углерода углеродные волокна делят на три группы:

- карбонизированные – не более 90 % углерода;

- угольные – 91-98 % углерода;

- графитовые – более 98 % углерода

В зависимости от вида исходного продукта углеродные волокна имеют разновидности: нити, жгуты, ткани, ленты, войлок.

При высокотемпературной термической обработке в инертной среде синтетические волокна разлагаются с образованием лентообразных слоев углерода с гексагональной структурой, называемых микрофибриллами.

На рисунке 22 приведена схема строения углеродного волокна. Группы одинаково ориентированных микрофибрилл, разделенных узкими порами, образуют фибриллы. Поперечные размеры фибрилл лежат в широких пределах от нескольких десятков до сотен микрометров. Каждое углеродное волокно состоит из тысяч фибрилл. Структура углеродного волокна, в частности, взаимное расположение фибрилл и степень их ориентации зависят от исходного сырья: состава макромолекул, степени вытяжки волокон, технологии их получения и др. В связи с этим углеродные волокна, полученные из разных синтетических волокон, имеют разные

Р
исунок 22 -
Схема строения углеродных волокон: а – общий вид; б – продольное сечение фибриллы; в – поперечное сечение микрофибриллы; la, и lc – поперечные размеры микрофибрилл [9]

свойства и различный характер соотношения между прочностью и жесткостью (рис. 23). Структура и свойства углеродных волокон в большой степени зависят от температуры термической обработки синтетических волокон (рис. 24). Кроме того, прочность углеродных волокон существенно зависит от наличия таких дефектов, как пустоты, трещины. Она значительно снижается,

Рисунок 23 – Связь между пределом прочности σв и модулем упругости Е углеродных волокон при различном исходном сырье: ■ – ПАН; ● – вискоза [9]

если размеры дефектов превышают 0,05 мкм. При нагреве до 450 ºС на воздухе углеродные волокна окисляются, в восстановительной и нейтральной среде сохраняют свои свойства до 2200 ºС.

К другим достоинствам углеродных волокон относятся высокие теплопроводность и электропроводимость, коррозионная стойкость, стойкость к тепловым ударам,

Рисунок 24 – Влияние температуры графитизации на предел прочности σв и модуль упругости Е углеродных волокон: ■ – Е; ● – σв [9]

небольшой температурный коэффициент линейного расширения; к недостаткам – плохая смачиваемость расплавленными материалами, используемыми в качестве матриц. Для улучшения смачиваемости и уменьшения химического взаимодействия с матрицей на углеродные волокна наносят покрытия. Хорошие результаты в контакте с алюминиевой матрицей показывают покрытия из боридов титана и циркония.

^ Борные волокна. Борные волокна обладают весьма ценным сочетанием свойств (плотность 2,6 т/м3, модуль упругости 420 ГПа, предел прочности 3500 МПа, температура плавления 2050 ºС) и широко используются для армирования металлических и полимерных матриц. Кроме этого, они характеризуются малой склонностью к разрушению при повышении температуры.

Борные волокна получают разложением хлорида и бромида бора в среде водорода

2BCl3 + 3H2  2B + 6HCl 38

с последующим осаждением бора из газовой среды на горячей вольфрамовой нити (d  12 мкм). В результате взаимодействия бора с вольфрамом сердцевина борных волокон состоит из боридов вольфрама различного состава: WB, W2B5, WB5. При продолжительном нагреве сохраняется в основном WB4. Волокна бора имеют ромбическую кристаллическую решетку. Полученные таким способом волокна бора имеют диаметр 70-200 мкм.

Прочность сердцевины значительно ниже прочности волокна в целом. В сердцевине возникают сжимающие напряжения, а в прилегающих участках напряжения - растяжения. При небольшой плотности волокна бора обладают высокой прочностью и жесткостью. Высокая прочность борных волокон объясняется их мелкокристаллической структурой. Большое влияние на прочность оказывает и ячеистое строение их поверхности. Наличие крупных зерен на поверхности, а также включений, трещин, пустот снижает прочность борных волокон. При температуре 400 ºС борные волокна окисляются, а при температуре выше 500 ºС - вступают в химическое взаимодействие с алюминиевой матрицей. Для повышения жаростойкости и предохранения от взаимодействия с матрицей на борные волокна наносят покрытия из карбида кремния, карбида и нитрида титана толщиной 3-5 мкм.

В настоящее время наряду с собственно борными волокнами промышленностью производятся волокна бора, оплетенные стекловолокном.

Основным недостатком борных волокон является высокая стоимость, которую можно снизить путем увеличения диаметра волокна или заменой вольфрамовой основы на углеродную.

^ Карбидокремниевые волокна. Карбидокремниевые волокна имеют следующие механические свойства: плотность 3,90-4,05 т/м3, модуль упругости 450-480 ГПа, предел прочности 1700-2500 МПа. Кроме этого, карбидокремниевые волокна жаростойки и жаропрочны и поэтому весьма перспективны при создании жаропрочных и высокомодульных КМ на металлической основе.

Принципиальная схема поучения карбидокремниевого волокна идентична схеме получения борного волокна. Карбидокремниевые волокна получают разложением метилтрихлорсилана

CH3SiCl3  SiC + 3HCl  39

с последующим осаждением карбида кремния из парогазовой фазы на вольфрамовую нить. Температура нити составляет 1100-1220 ºС.


Промышленностью освоен выпуск карбидокремниевых волокон диаметром до 100 мкм с пределом прочности 2800 МПа. Карбид кремния используют и как покрытие для повышения жаростойкости борных волокон. При этом появляется возможность вводить борные волокна в некоторые металлические матрицы, с которыми он активно взаимодействует, например расплавленный алюминий. Волокна бора, покрытые карбидом кремния, получили название борсик.

При повышенных температурах на воздухе прочность волокон борсика и карбида кремния значительно превышает прочность волокон бора.



    1. ^ Виды армирующих элементов


Армирующие элементы – нитевидные кристаллы, металлические проволоки, поликристаллические волокна с аморфной структурой – вводят в матрицу как разориентированными, так и придавая им определенную ориентацию.

Из розориентированных нитевидных кристаллов и коротких волокон и проволок изготавливают войлок.

Применяется несколько методов войлокования - жидкое, воздушное, гравитационное и вакуумное. Схема жидкостного войлокования приведена на рисунке 25.

Рисунок 25 – Схема жидкостного войлокования листового материала из металлических волокон: 1 - питающая емкость; 2 - ролики; 3 - сетка; 4 – камера отсоса жидкости; 5 – прижимные ролики; 6 - печь

Суспензия из волокон подается из питающей емкости 1 на покрытую фильтровальной бумагой сетку 3. С помощью роликов сетка 2 непрерывно перемещается, проходя над камерой отсоса жидкости 4. Сформованный войлок проходит через прижимные ролики 5, уплотняется и после этого в случае необходимости спекается в печи. В результате жидкостного войлокования получают непрерывный листовой материал с пористостью 80-95 %.

Основным способом изготовления армирующих элементов с необходимой ориентацией волокон является их текстильная переработка. В этом случае дискретные волокна перерабатывают в пряжу. Пряжей называют нить из коротких волокон, соединенных при помощи кручения. Пряжа может быть однородная (из одного рода волокна) и смешанная (из смеси различных волокон). Пряжа используется как для непосредственного армирования КМ, так и для последующей ткацкой или трикотажной переработки нитей.

В результате ткацкой переработки, которой подвергают непрерывные проволоки и волокна, получают сетки ткани. Сетки и ткани характеризуются заданным порядком взаимного расположения нитей, определяющим их структуру и свойства. Нити продольной системы (основы) и поперечной (уткá) переплетаются таким образом, что их осевые линии изогнуты. Наиболее простые виды переплетения нитей в тканях и сетках – полотняное и саржевое (рис. 26).

Рисунок 26 – Схема переплетения нитей в тканях и сетках: а - полотняное; б – саржевое

Тканые сетки обладают рядом существенных недостатков, главный из которых это то, что их можно изготавливать из достаточно пластичных пряж и волокон. Из стальных проволок для переработки в сетки полотняного плетения пригодны только пластичные проволоки, не обладающие высокой прочностью. Кроме этого, наличие контакта между поперечными и продольными нитями приводит к их пережимам в процессе уплотнения композиций.

Этих недостатков лишены трикотажные, т.е. вязаные сетки (рис. 27).

Рисунок 27 – Схема переплетения волокон в трикотажных сетках типа «кулирная гладь»

Сетки типа «кулирная гладь» состоят из петель, дающих петельные ряды, и столбиков, которые образуются из нанизанных друг на друга петель и расположены перпендикулярно петельным рядам. Прочностные характеристики трикотажных сеток, как правило, анизотропны в двух направлениях. Для переплетения типа «кулирная гладь» коэффициент анизотропии равен 1,6.

Трикотажные сетки изготавливают из металлических проволок диаметром 0,02-0,20 мм с относительным удлинением 1-3 %. Их упругая петельная объемная структура способствует уменьшению контактных напряжений и снижению числа контактов при формировании армированных композиций, особенно при использовании порошковых матриц.

Приемы вязания успешно применяются для переработки относительно хрупких нитей, например, волокон бора и карбида кремния. В этих случаях параллельные слои высокомодульной арматуры обвязываются проволокой в поперечном направлении. Такие комбинированные сетки весьма технологичны и существенно облегчают сборку заготовок для армированных композиций.



  1. ^ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КМ


    1. Межфазное взаимодействие в КМ

      1. Термодинамическая и кинетическая совместимость

компонентов


Большинство КМ - представители термодинамически неравновесных систем, для которых характерно наличие развитой сети внутренних границ раздела и градиентов химических потенциалов элементов в матрице и армирующих элементах. Эти градиенты являются движущей силой процессов межфазного взаимодействия, в частности взаимной диффузии и химических реакций. Межфазное взаимодействие в ограниченной степени необходимо для получения КМ с оптимальными свойствами, однако интенсивное взаимодействие обычно приводит к ухудшению механических свойств КМ.

Химическое взаимодействие может происходить как при изготовлении КМ, так и при их высокотемпературной эксплуатации. Интенсивное межфазное взаимодействие - главное препятствие на пути создания жаропрочных КМ. Для того чтобы КМ обладал стабильными свойствами при повышенных температурах, его компоненты должны быть химически совместимы. Понятие химической совместимости включает понятия термодинамической совместимости и кинетической совместимости.

Термодинамическая совместимость - способность матрицы и армирующих элементов находиться в состоянии термодинамического равновесия неограниченное время при температурах получения и эксплуатации. Термодинамически совместимы в изотермических условиях ограниченное число КМ, состоящих из компонентов, практически нерастворимых друг в друге в широком интервале температур (например, Cu - W). Большинство КМ состоит из термодинамически несовместимых компонентов, для которых из диаграмм состояния можно определить только возможные фазовые равновесия и направленность реакций.

Кинетическая совместимость - способность компонентов КМ находиться в состоянии метастабильного равновесия, контролируемого такими факторами, как адсорбция, скорость диффузии, скорость химической реакции и т. п. Термодинамически несовместимые составляющие КМ в определенных температурно-временных интервалах могут быть совместимы кинетически и достаточно надежно работать в конструкциях. Наряду с химической совместимостью важно обеспечить механическую совместимость компонентов КМ, т. е. соответствие их упругих постоянных, к. т. р. и показателей пластичности, позволяющее достичь прочности связи, необходимой для эффективной передачи напряжений через поверхность раздела.


      1. ^ Виды межфазного взаимодействия


В соответствии с классификацией А. Меткалфа [10] по видам межфазного взаимодействия все КМ делятся на три класса следующим образом (табл. 8):

- волокна и матрица взаимно нерастворимы и не образуют химических соединений;

- волокна и матрица образуют друг с другом твердые растворы и не образуют химических соединений;

- волокна и матрица взаимодействуют с образованием химических соединений.

Такая классификация условна, поскольку КМ, содержащие волокна и матрицу на основе одних и тех же компонентов, могут относиться к различным классам в зависимости от концентрации легирующих элементов, условий получения и эксплуатации. Например, КМ с матрицей из чистой меди, армированной вольфрамовыми волокнами, относится к первому классу; если медь легирована небольшим количеством титана, этот же КМ следует отнести ко второму классу, так как в данной системе уже появляется взаимная растворимость; при повышенных концентрациях титана на поверхности раздела появляются интерметаллические соединения и КМ следует отнести к третьему классу.

Существуют, например, КМ псевдопервого класса. Это системы, состоящие из кинетически совместимых компонентов, в которых принципиально возможно образование новых химических соединений на поверхности

Таблица 8 - Классификация КМ по видам межфазного взаимодействия

Первый класс

Второй класс

Третий класс

Алюминий - нержавеющая сталь*;

Ag - А12О3; Аl – В*;

Аl – B/BN; А1 – SiC*;

Сu – А12О3; Сu – W;

Mg – В

Направленные эвтектики; Nb – W; Ni – С;

Ni – W (выше 1233 К)

А1 – С (выше 973 К); AI – SiO2; Ti – А12O3; ^ Ti – В; Ti – SiC

Примечание. Звездочкой обозначена система псевдопервого класса; B/BN - означает бор, покрытый нитридом бора

раздела. Однако оптимальная технология позволяет избежать их появления в ходе технологического цикла, а эксплуатация осуществляется при достаточно низких температурах, исключающих возможность прохождения химической реакции. Например, KM Al - В, полученный пропиткой борных волокон расплавленным алюминием, относится к третьему классу, так как при изготовлении композиции на границе раздела волокно - матрица образуется слой борида алюминия. Однако этот же КМ, полученный по оптимальной технологии диффузионной сварки, следует отнести к КМ псевдопервого класса (табл. 8), поскольку реакция образования борида не успевает пройти.



      1. ^ Типы связей между компонентами


В КМ связи между матрицей и волокнами могут быть шести типов. Механическая связь (рис. 28 а) осуществляется за счет механического зацепления неровностей контактирующих поверхностей матрицы т и волокна f или за счет сил трения. КМ с этим типом связи имеют низкую прочность при поперечном растяжении и продольном сжатии.

Связь при смачивании и растворении (рис. 28 б) реализуется благодаря силам поверхностного натяжения. Обычно смачивание сопровождается небольшим растворением компонентов. Этот тип связи реализуется при пропитке волокон f расплавленной матрицей т в отсутствие химических реакций. Как и предыдущий, он характерен для КМ первого класса. Реакционная связь (рис. 29 в) возникает при протекании реакции на границе раздела т и f с образованием новых химических соединений т fх. Этот тип связи присущ КМ третьего класса.

Обменно-реакционная связь (рис. 29 г) является разновидностью реакционной связи, когда общая химическая реакция происходит в несколько стадий, одна из которых контролирует скорость образования связи. Например, матрица т из титана А, легированного алюминием В, взаимодействует с борными волокнами f в две стадии. Вначале твердый раствор алюминия в титане реагирует с бором с образованием сложного диборида Afx, который затем реагирует с титаном, образуя диборид титана и твердый раствор алюминия в титане.



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