ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Армированные волокнами материалы из "Производство порошковых изделий " Основная идея упрочнения волокнами заключается в создании двухфазной структуры, в которой деформация матрицы используется для передачи напряжения высокопрочным волокнам при их объемном содержании до 50 - 70 % (чаш,е 10 - 30 %) за счет сил сцепления на границе раздела волокно - матрица. Если волокна имеют достаточную длину, то при нагружении деформация волокон на большей части их длины должна быть равна деформации матрицы и в этом случае волокна эффективно упрочняют ее. Кроме того, волокна должны задерживать распространение треш,ин и таким образом повышать не только прочность, но и вязкость материала. Благодаря гетерогенной структуре, состояш,ей из прослоек сравнительно пластичной, но недостаточно жаропрочной матрицы, и высокопрочных волокон, композиционные материалы теоретически способны работать при температуре лишь на несколько градусов ниже точки плавления матрицы при условии, что она будет вести себя как несжимаемая жидкость. [c.181] Поскольку упрочнение в армированных волокнами системах зависит главным образом от свойств волокон (матрица действует только как среда для передачи напряжения), такие системы по своим высокотемпературным характеристикам должны превосходить системы, упрочненные дисперсными частицами. В качестве армируюш,их используют собственно волокна, усы или проволоку из железа, стали, вольфрама, никеля, молибдена, титана и других металлов, графита, оксидов алюминия, бериллия или кремния, карбидов, нитридов, боридов и других соединений тугоплавких металлов. [c.181] ествуют два основных способа получения двухфазных композиционных материалов 1) волокна, усы или проволоку получают отдельно, а затем их вводят в матрицу 2) волокна или усы создают непосредственно в матрице, например направленной кристаллизацией эвтектических сплавов, используя контролируемое охлаждение или эвтектоид-ный расплав. Второй способ применяют при производстве литых композиционных материалов, поэтому здесь его не рассматриваем. [c.181] Другой разновидностью механических способов является получение волокна из расплава. Например, расплавленную массу выдавливают через отверстие заданного диаметра (50-90 мкм) либо подают на быстровращакмдийся диск, на котором под действием центробежной силы формируются волокна диаметром (поперечным размером) 4-75 мкм. Отработан также метод зжекции струи расплавленного металла мощным потоком газа. Регулируя скорости подачи газа и расплава, получают длинные или короткие волокна. Существует разработанный около 50 лет тому назад непрерывный способ получения тонкой и сверхтонкой проволоки (диаметром 50 мкм и менее) фонтанированием расплава, разновидностью которого является вытяжка волокон из капли жидкого металла, находящейся в стеклянной трубке-капилляре, вытягиваемой в длинные нити стеклянную оболочку с нити затем удаляют травлением. [c.182] Особого внимания заслуживает производство нитей диаметром менее миллиметра продавливанием смеси порошка исходного материала со связующим через тонкие отверстия. Нити подвергают соответствующей обработке в зависимости от рода связующего с целью его удаления. Таким способом готовят нити вольфрама, молибдена, циркония, бора, кремния, титана, оксидов, карбидов и других металлоподобных соединений. [c.182] Физико-химические способы применяют преимущественно для изготовления совершенных нитевидных кристаллов высокой прочности. Среди этой группы способов основным является получение усов восстановлением различного рода соединений металлов. В качестве исходных материалов используют галогениды, сульфиды и оксиды, восстанавливаемые газообразным или твердым восстановителем. Тонкие нитевидные кристаллы растут при определенных условиях восстановления (температура, парциальное давление восстанавливаемого соединения, свойства восстановителя и др.), причем большинство кристаллов при оптимальных условиях процесса получаются гладкими и прямыми, диаметр их 1 - 20 мкм. Так, температура восстановления галогенидов составляет для меди 650 °С, железа 730-760 °С, никеля 740 С, марганца 940 С, кобальта 750 °С. Повышение температуры восстановления сверх оптимальной приводит сначала к возникновению пластинчатых образований, а затем к росту крупных, хорошо развитых кристаллов, тогда как усы не образуются. [c.182] Нитевидные кристаллы могут быть получены выращиванием из пересыщенной газовой фазы. Так как в этом случае усы растут вследствие притока атомов из газовой фазы, то с повышением температуры скорость роста и диаметр усов увеличиваются. Процесс проводят в предварительно вакуумированном сосуде, по длине которого создают перепад температур, зависящий от характера материала получаемых усов. Испарением в вакууме с последующей конденсацией паров получают усы цинка, серебра, платины, бериллия, кремния и других металлов. Усы железа, серебра, меди и некоторых других металлов можно получить электролитическим осаждением. [c.182] Тонкие металлические волокна можно также получать химическим травлением проволоки до нужных сечений. Например, травлением медной проволоки в азотной кислоте получают волокна диаметром 1 мкм. Для получения тонких вольфрамовых волокон с успехом применяют метод электролитического травления 15 - 20 %-ным раствором едкого натра в поле переменного тока. [c.183] Волокна, полученные из рассмотренных способов, смешивают с порошком металла, образуюш,его матрицу. Выбор матричного металла определяется его совместимостью с материалом волокна, технологическими и эксплуатационными характеристиками композиционного материала. Обычно используют порошки алюминия, меди, титана и других тугоплавких металлов и их сплавов, а также жаропрочных сплавов на основе железа, никеля и кобальта. Смешивание порошка матричного металла с волокнами осуш,ествляют механическим (в случае дискретных волокон) или химическим (на волокна осаждают матричный металл из раствора его химического соединения) способом. Механическое смешивание лучше проводить в устройствах опрокиды-ваюш,егося типа (двухконусном смесителе, смесителе с эксцентричной осью и др.), так как барабанные смесители вызывают заметное комкование волокна. [c.183] Спекание формовок может быть заменено инфильтрацией спрессованных волокон расплавленным материалом матрицы. При этом отпадает необходимость в приготовлении шихты и можно получить практически беспористый материал, равномерно распределять компоненты, варьировать в широких пределах объемное содержание арматуры, диаметр и длину волокон, создавать нужную ориентацию, сохранять исходные форму и размер волокон, использовать стандартное оборудование термических участков. Для получения качественного композита необходимо хорошее смачивание волокон металлическим расплавом. При инфильтрации жаропрочными материалами требуются высокие температуры, что может вызвать разупрочнение и охрупчивание волокон. [c.184] Методом горячего прессования при температуре 0,5-0,8 металлической матрицы можно получить практически беспористый композиционный материал. [c.184] Армированные материалы можно получать нанесением на подложку различной конфигурации чередуюш,ихся слоев матрицы и арматуры. После нанесения покрытия подложку удаляют (выжигают, растворяют, выплавляют, удаляют механически и т.п.). В результате получают изделие из армированного материала, повторяюш,ее геометрию подложки. Иногда необходим высокий уровень свойств только от поверхностных слоев детали в этом случае создают армированное покрытие с заданными свойствами на готовом изделии. [c.184] Одним из первых композиционных армированных материалов была медь, упрочненная вольфрамовыми и молибденовыми волокнами. Такая медь, изготавливаемая в основном методом инфильтрации, наряду с повышенной кратковременной и длительной прочностью обладает повышенным сопротивлением усталостному разрушению при комнатной температуре. Уменьшение диаметра волокон вызывает повышение прочности композиции в целом. В последние годы все более широко применяют технологию динамического горячего прессования при 950 - 1000 °С и диффузионной сварки в течение 2 ч при 550 - 800 °С и давлении 45 МПа. Известна композиция медь - волокна бора, получаемая горячим прессованием. [c.184] Материалы на никелевой основе армируют проволокой тугоплавких металлов и сплавов на основе вольфрама и молибдена, волокнами углерода и Si . Один из способов получения на основе никельхромо-вых сплавов композиций, армированных усами оксида алюминия, включает экструдирование пластифицированной смеси с последующим спеканием. Армированный никель изготовляют с применением электролитического нанесения покрытий на волокна карбида кремния или бора. Есть композиции на никелевой основе, армированные однонаправленными вольфрамовыми проволоками и сетками из них. Пакет, набранный из чередующихся слоев тонкой никелевой фольги и армирующей проволоки, подвергают горячему динамическому прессованию, способствующему приданию получаемому композиционному материалу повышенной механической прочности. Можно применить инфильтрацию каркаса из соответствующего волокна расплавом никеля. [c.185] Армирование железа оксидом алюминия или вольфрамовыми волокнами, титана молибденовой проволокой, кобальта вольфрамовой или молибденовой проволокой, магния волокнами бора позволяет в 3-5 раз повысить временное сопротивление соответствующего композита по сравнению с неармированными материалами. [c.185] Композиционные материалы волокнистого строения являются весьма ценными и перспективными для применения в различных областях науки и техники. [c.185] Вернуться к основной статье