Файл: Физикотехнологические основы получения композиционных материалов.doc

2.2. Материалы матриц

В качестве материалов матриц при из­готовлении МКМ применяют освоенные промышленностью металлы и сплавы, а также сплавы, создаваемые специально для получения МКМ. В зависимости от требуемых эксплуатационных свойств применяют следующие материалы: легкие металлы и сплавы на основе алюминия и магния; сплавы на основе титана, меди; жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля и кобальта; туго­плавкие сплавы на основе вольфрама, мо­либдена и ниобия.

Алюминиевые сплавы обладают хоро­шей пластичностью, коррозионной стой­костью, но сравнительно невысокой проч­ностью. Для пропитки КМ применяют алюминиевые сплавы с хорошими литей­ными свойствами, например силумины, имеющие в своем составе повышенное содержание кремния. Перспективным для жаропрочных КМ является САП (спечен­ный алюминиевый порошок), который представляет собой алюминий, упроч­ненный дискретными частицами оксида алюминия. МКМ на основе САП имеют высокую жаропрочность (до 500°С), хо­рошо обрабатываются давлением, резани­ем и обладают высокой коррозионной стойкостью.

Магний и его сплавы характеризуются низкой плотностью, относительно высо­кими механическими свойствами, способ­ностью сопротивляться ударным нагруз­кам и вибрациям. Кроме того, они доста­точно пластичны и хорошо обрабатыва­ются давлением.

Титановые сплавы имеют малую плот­ность, а по прочностным характеристикам превосходят алюминиевые и магниевые сплавы. Они имеют достаточно хорошие литейные свойства и могут обрабатывать­ся пластическим деформированием в ши­роком интервале температур (600 - 1200 °С). Для армирования КМ промыш­ленностью налажен выпуск фольги из ти­тановых сплавов толщиной 3 - 200 мкм.

Медь и медные сплавы имеют высокую электропроводимость и теплопроводность. В технологическом отношении медь и ее сплавы характеризуются высокими пла­стическими свойствами. В большинстве случаев медные сплавы пластически де­формируются в холодном состоянии.

Жаропрочные и жаростойкие сплавы получают на основе системы никель - хром с легирующими добавками вольфрама, молибдена, титана, алюминия. Они стойки к образованию окалины на поверхности в газовых средах при нагреве свыше 500°С. Повышенная длительная прочность, высо­кое сопротивление ползучести и усталости достигаются за счет введения в сплавы титана и алюминия. В настоящее время сплавы на никелевой и кобальтовой осно­ве, легированные различными элемента­ми, способны работать при температурах до 1100°С.

---

Пластические свойства таких сплавов низки, поэтому их подвергают обработке давлением. МКМ из жаропроч­ных сплавов изготовляют преимущест­венно жидкофазными методами (литье, пропитка), а также методами порошковой металлургии (прессование, спекание).

Порошковой металлургией стало воз­можно получать МКМ с матрицей из особотугоплавких сплавов - ниобия, вольф­рама, молибдена и сплавов на их основе. Волокнистыми наполнителями (нитевид­ными кристаллами из тугоплавких соеди­нений) эти матрицы армируют с целью придания им особых эксплуатационных свойств (ударопрочности, термостойкости и других специальных физических харак­теристик).

2.3. Способы получения полуфабрикатов и готовых изделий

При разработке технологического про­цесса получения изделий из КМ прихо­дится в комплексе решать многие вопро­сы: выбор армирующих и матричных ма­териалов, их химическое взаимодействие, смачивание, способы ориентации арми­рующих волокон, способы окончательного объединения волокон и матрицы в единое целое (изделие), выбор оптимальных тех­нологических режимов и др. Не существу­ет универсального технологического про­цесса, пригодного для получения любого изделия из КМ. Неудачно выбранные тех­нологический метод и режимы изготовле­ния КМ приводят к тому, что прогнози­руемые физико-механические и эксплуа­тационные показатели на практике не реа­лизуются.

Технологическому процессу получения КМ предшествуют вспомогательные опе­рации: очистка, мойка и сушка волокон, объединение их в жгуты или каркасы, по­лучение элементарных соединений матри­ца - волокно, сборка чередующихся слоев элементов и др.

Короткие армирующие элементы вво­дят в матричные материалы в разориентированном состоянии или предвари­тельно ориентируя их в определенном направлении.

В производственных условиях из разориентированных кристаллов, коротких волокон и проволок изготовляют полу­фабрикаты: войлок, маты и т.д. Использу­ют различные способы войлокования: жидкостные, воздушные, вакуумные и гравитационные. В качестве примера на рис. 4 показана схема жидкостного вой­локования коротких волокон. Суспензия из питающего бака 1 поступает на сетку 2, покрытую фильтровальной бумагой. С помощью роликов 3 она проходит над ка­мерами 4 для отсоса жидкости. Прижим­ными валками 5 войлок уплотняется и поступает в печь

---

6,где он просушивается или, при необходимости, спекается.

Д
ля получения армирующих элементов с требуемой ориентацией применяют тех­нологию текстильной переработки. Ко­роткие волокна перерабатывают в пряжу. Пряжей называют нить из коротких воло­кон, соединенных путем кручения. Пряжа может быть однородная (из одного вида волокна) или смешанная (из смеси раз­личных волокон). Пряжу можно использо­вать для непосредственного армирования КМ или сшивать нитями в ткань или лен­ты. Сетки и ткани получают в результате ткацкой переработки непрерывных воло­кон и металлических проволок. Направле­ние и порядок взаимного расположе­ния армирующих элементов определяют их структуру и свойства. Возможны и другие варианты соединения отдельных волокон из пластичных материалов в единый ар­мирующий элемент.



Жесткие волокна, например из вольф­рама, молибдена, ниобия и их сплавов, ориентируют в материале матрицы в виде пакетов, листов, рулонов и т.п. Пакеты (рис. 5, а) получают путем послойной укладки рифленой фольги 2из материала матрицы, армирующих волокон 3и воло­кон 4из материала матрицы или любого другого материала. Набранные таким об­разом пакеты определенной высоты со­единяют полосами материала матрицы 1. Ленты (рис. 5, 6)получают путем пооче­редной укладки армирующих и матрич­ных волокон между полосами. В отдель­ных случаях ленты сматывают в рулоны (рис. 5, в). Чтобы закрепить волокна на матричной полосе, на них плазменным напылением наносят тонкий слой мате­риала матрицы.

На предприятиях обычно организуют выпуск полуфабрикатов в виде листов, труб, профилей и т.д. Основой производ­ства полуфабрикатов и изделий из КМ служат так называемые препреги, пред­ставляющие собой однослойные ленты с одним рядом армирующих волокон или тканей, пропитанных или покрытых мате­риалом матрицы с одной или с обеих сто­рон. Используют также пропитанные ме­таллом жгуты волокон или индивидуаль­ные волокна с покрытиями материалом матрицы.

Все технологические способы получе­ния препрегов, полуфабрикатов и изделий из МКМ условно можно разделить на че­тыре основные группы: парогазофазные, жидкофазные, твердожидкофазные и твер­дофазные.

---

Парогазофазные способы применяют для нанесения на волокна жгута, ленты и ткани барьерных или технологических покрытий. Применять эти способы для полного компактирования КМ нецелесо­образно, так как они характеризуются низкой производительностью процесса.

Жидкофазные способы используют на всех стадиях производства КМ - от полуфабрикатов до изделий. К ним отно­сятся протяжка волокон, жгутов и тканей через расплав материала матрицы для пла­стифицирования волокна и получения со­ответствующих препрегов; пропитка паке­тов препрегов материалом матрицы на стадии получения полуфабрикатов или готовых изделий из КМ; плазменные и некоторые другие виды газотермического распыления металлов для получения лен­точных препрегов и "корковых" полуфаб­рикатов, подвергаемых последующему компактировапию методами обработки давлением.

Универсальным и наиболее освоенным промышленностью способом изготовле­ния КМ является пропитка. Этот способ имеет ряд преимуществ перед твердофаз­ными способами изготовления МКМ: бо­лее высокую производительность процес­са; практическое отсутствие силового воз­действия на компоненты, что обеспечива­ет возможность получать крупногабарит­ные изделия, в том числе сложного фа­сонного профиля; возможность создания непрерывности процесса пропитки, меха­низации и автоматизации технологическо­го процесса.


В зависимости от условий обеспече­ния смачиваемости системы армирующий каркас - расплав материала матрицы применяют две схемы пропитки: само­произвольную пропитку и пропитку под давлением.

Самопроизвольную пропитку осуще­ствляют путем заливки расплавленного материала в форму с уложенным в ней каркасом из армирующих волокон.

Наиболее перспективным и производи­тельным является способ непрерывной протяжки армирующих каркасов через расплав материала матрицы. По этой схе­ме разрабатываются технологические процессы непрерывного литья полуфабри­катов из КМ. Принципиальные преимуще­ства этого способа производства КМ - в его непрерывности, малом времени кон­тактирования волокон с расплавом, малых трудозатратах и капиталовложениях. Пер­спективной считается вертикальная схема пропитки, при которой волокна, ленты, препреги проходят через ванну с распла­вом и на выходе через фильеру получают форму сечения полуфабриката (рис. 6). Поэтапное сужение сечения фильеры на выходе позволяет получать полуфабрикаты с высоким объемным содержанием арми­рующих волокон.

---

Принудительную пропитку обычно ис­пользуют при недостаточной смачиваемо­сти в системе матрица - волокно или для ускорения процесса пропитки для компо­нентов с удовлетворительной и хорошей смачиваемостью.

В
качестве примера на рис. 7 показа­на схема вакуумной пропитки КМ. Заполнение пор расплавленным металлом осу­ществляется за счет разности между атмо­сферным давлением и давлением, создан­ным в порах при вакуумировании. Верти­кальное расположение тигля обеспечивает ускорение процесса протекания за счет дополнительного давления массы расплава.

Разновидностью пропитки под давле­нием является создание избыточного дав­ления сжатым газом на зеркало расплав­ленного металла. Эффективность процесса пропитки значительно повышается при наложении ультразвуковых колебаний.

Твердожидкофазные способы ис­пользуют для получения полуфабрикатов и изделий из КМ методами горячего прес­сования, волочения и прокатки пакетов, препрегов. Необходимым условием явля­ется нанесение матричного материала на ленты, препреги и ткани в таком количе­стве, чтобы его оказалось достаточно в жидкой фазе для равномерной пропитки волоконного каркаса расплавом. Прессо­вание осуществляется в интервале кри­сталлизации сплава материала матрицы. Прессование КМ в условиях твердожидко-го состояния матричных сплавов способ­ствует снижению давления и уменьшает вероятность разрушения волокон.

Твердофазные способы используют для компактирования изделий из полу­фабрикатов. Основным критерием приме­нимости твердофазных способов является возможность деформирования компонентов КМ. Но при этом совместное пласти­ческое деформирование матрицы и воло­кон не должно приводить к разрушению арматуры. Это обстоятельство является основным препятствием для более широ­кого использования способов соединения арматуры и матрицы пластическим де­формированием. Если в качестве армату­ры выбраны волокна или проволоки со значительным запасом пластичности, то уплотнять МКМ можно ковкой, прокат­кой, импульсным прессованием и др. Воз­можны также различные способы диффу­зионной сварки.

К процессам соединения в твердо­фазном состоянии предъявляют высокие требования по подготовке компонентов: высокая чистота поверхностей контакти­рования, отсутствие оксидных пленок и т.д. Это является дополнительным пре­пятствием для более широкого примене­ния твердофазных способов при изготов­лении изделий из КМ.

---