Пропитка волокон расплавом матрицы

I. ПРОПИТКА волокон РАСПЛАВОМ МАТРИЦЫ [c.90]

Пропитка волокон расплавом матрицы при нормальном давлении и разновидность этого метода — пропитка пучка волокон протяжкой их через расплав, или, как иногда его называют, метод непрерывного литья композиционных материалов, является оптимальным способом изготовления изделий сложной формы и полуфабрикатов в виде прутков, труб, профилей и др. Этот метод применим в тех случаях, когда волокна термодинамически стабильны в расплавленной матрице или слабо с ней взаимодействуют, количество волокон в объеме получаемого изделия не превышает определенных значений, волокна хорошо смачиваются расплавом матрицы. [c.91]

Большинство материалов, применяющихся в качестве упрочняющих волокон или нитевидных кристаллов, при температурах пропитки в большей или меньшей степени склонно к окислению, в результате которого могут значительно снизиться их свойства. Кроме того, образование окисной пленки на поверхности упрочняющих волокон изменяет условия смачиваемости волокон расплавом матрицы и влияет на величину и характер прочности связи на границе раздела матрица — волокно, поэтому изготовление композиционных материалов методом пропитки расплавом осуществляется главным образом либо в защитной атмосфере, либо в вакууме. Причем вакуум во многих случаях является более предпочтительной средой, активирующей поверхность пропитываемых волокон и улучшающей условия смачиваемости. [c.98]

Образцы композиционных материалов с матрицей из алюминия, легированного 12% кремния (№ 5, 10) и 35% магния (№ 6), упрочненной композиционной лентой из борного волокна, покрытого нитридом бора и пропитанного алюминием, имели малую прочность и низкий коэффициент эффективности матрицы. При этом коэффициент р образцов с алюминиевой матрицей, легированной 35% магния, имеющей более низкую температуру плавления, был несколько выше по сравнению с силуминовой матрицей. В образцах в состоянии после литья он достигал 0,75. Судя по уровню прочности этих образцов (№ б), матрица, заключенная между слоями ленты, имеющая после литья грубые дефекты, практически не несет нагрузки, и вклад в прочность композиции вносит только композиционная лента. Если учесть, что максимальная температура, действию которой подвергались волокна в процессе изготовления композиционного материала, не превышала 450°С и они были защищены от действия расплава матрицей из алюминия, входящей в состав композиционной ленты, то фактически все повреждения, которые можно было наблюдать на волокнах, являлись результатом процесса пропитки волокон расплавом при получении ленты. Это соображение подтверждается опытом по гомогенизации образцов с матрицей из алюминия с 35% магния после пропитки (партия № 7). Образцы, подвергавшиеся гомогенизации при температуре 400° С в течение 70 ч, показали прочность 70 кгс/мм , что на 15,5 кгс/мм выше прочности образцов в состоянии после литья. Повышение прочности является следствием улучшения свойств матрицы, повышения ее способности передавать напряжения от разрушенных волокон к более прочным волокнам. Гомогенизация повышает коэффициент эффективности матрицы при содержании 37 об. % волокна от 0,75 до 0,93, причем эти цифры характеризуют величину полного разрушения волокна, обусловленного всем технологическим циклом, включающим процесс нанесения покрытия из нитрида бора, получение ленты методом протяжки через расплав алюминия и процесс окончательной пропитки. [c.111]

К жидкофазному процессу следует отнести метод получения композиции направленной кристаллизацией из расплавов эвтектического состава. Важнейшим моментом получения качественного композиционного материала пропиткой является хорошая смачиваемость упрочняющих волокон расплавом матрицы. Возможности метода значительно ограничиваются высокой реакционной способностью материалов волокон в контакте с металлическими расплавами. [c.273]

Как с очевидностью следует из проведенного обсуждения, методу пропитки свойственны некоторые трудноразрешимые проблемы. При изготовлении композита пропиткой чрезвычайно важно обеспечить смачивание волокон расплавом. Существенное повышение температуры заливки (например, значительно выше 7пл алюминия) или использование поверхностно-активных веществ может привести к неполному смачиванию в практически важных системах. Вследствие применения указанных приемов происходит недопустимое ухудшение механических свойств волокна, а значит, и всего композита. Покрытия, в частности вольфрамовые, облегчают смачивание, однако при такой толщине, которая приемлема для тонких волокон, они не обладают достаточной долговечностью в контакте с жидким металлом. Волокна большого диаметра (>0,25 мм) в прочных матрицах, которые представляются практически интересными, механически повреждаются (двойникова-нием или скольжением) при охлаждении от температуры пропитки. [c.333]

Однако чрезвычайно высокая реакционная способность большинства армирующих материалов в контакте с металлическими расплавами значительно сужает возможности практического применения метода пропитки. Другим важным моментом, играющим существенную роль в процессе получения композиционного материала пропиткой, является необходимость хорошей смачиваемости упрочняющих волокон жидкой матрицей, поскольку при невыполнении этого условия значительно усложняется технология получения материала. [c.91]

Маты из нитевидных кристаллов или волокон загружаются в форму, и снаружи форма запирается обогреваемыми плитами через уплотнительное кольцо, обеспечивающее необходимую герметизацию давлением Pi, и вакуумируется. После нагрева формы и тигля с расплавом матрицы жидкая матрица под давлениям Р , равным 25—-60 кгс/см , подается в форму. Давление пропитки определялось из уравнения [c.114]

Появление композиционных материалов было вызвано в основном стремлением повысить механические свойства конструкционных материалов. Однако очевидно, что направленное армирование волокнами открывает возможности создания новых материалов с особыми теплофизическими, электрофизическими, гальвано-магнитными, оптическими и другими свойствами. Методы получения композиций с особыми физическими свойствами в основном те же, что и для получения высокопрочных композиций направленная кристаллизация эвтектических сплавов, ориентированная перекристаллизация эвтектоидных систем, пропитка каркасных систем расплавом, совместная деформация волокон и матрицы и др. [c.219]

Непрерывное литье, т. е. пропитка металлическим расплавом пучков волокон или металлизация отдельных волокон при непрерывном протягивании через ванну с жидким металлом. В зависимости от вида волокон, материала матрицы и покрытий на волокнах эти процессы осуществляют в вакууме, на воздухе, в защитной или восстановительной атмосфере под давлением. [c.56]

Смачивание может быть улучшено средствами, влияющими на первоначальное равновесие между силами поверхностного натяжения. Наиболее эффективные способы улучшения смачиваемости - нанесение на армирующие волокна специальных покрытий и введение в материал матрицы специальных легирующих добавок. Улучшить смачивание при пропитке волокон металлическими расплавами можно, применив ультразвуковую обработку жидкой фазы. В отдельных случаях положительный эффект может быть достигнут за счет повышения температуры расплава и увеличения времени нахождения композиции в жидком состоянии. [c.460]

Методы пропитки применяются для изготовления полуфабрикатов ограниченных размеров и изделий различных конфигураций. Пропитку каркаса (или пучка) волокон осуществляют различными способами вакуумной заливкой матричного расплава в форму, в полости которой предварительно размещен каркас волокон вакуумным всасыванием расплава матрицы пропиткой под давлением центробежным литьем (эти процессы могут проводиться в обычной воздушной атмосфере или с применением защитных атмосфер). Кроме того, возможен вариант помещения в полость формы волокон с порошком матричного материала или фольгой, а также волокон, имеющих покрытие из материала матрицы, с последующим нагревом до температуры, превышающей температуру плавления матрицы композита, и опрессовкой формы. Процессы этой группы существенно отличаются от непрерывного литья большей длительностью. т. е., как правило, требуют специальных мер предупреждения де- [c.90]

Перспективной и значительно более широко применяемой разновидностью метода пропитки расплавом при нормальном давлении является непрерывная пропитка пучка волокон. Схема такого технологического процесса показана на рис. 41 [97, 98, 991. Пропитываемые волокна поступают в ванну с расплавленным металлом, не соприкасаясь друг с другом, затем они проходят через фильеру, формирующую пруток, который вытягивается с определенной скоростью, обеспечивающей на выходе отверждение матрицы с волокном. При вытягивании пруток может иметь различную степень закрутки на единицу длины. Такая технология позволяет изменять содержание волокна, обеспечивая при этом равномерное распределение волокон в поперечном сечении. Виды и формы изделий, которые можно получить этим методом, показаны на рис. 42 [97]. [c.92]

Жидкофазные процессы получения композиционных материалов заключаются в пропитке упрочняющих волокон или нитевидных кристаллов, расположенных в определенной последовательности или беспорядочно, расплавом материала матрицы. [c.273]

Несмотря на то, что метод пропитки расплавом оказался вполне приемлемым для матриц с низкой температурой плавления, таких, как алюминиевые [20, 21] или серебряные [47], было обнаружено, что указанный метод очень сложен для матриц на основе ни1 8ля и большинства практически важных никелевых сплавов. Трудности возникают вследствие того, что сапфир не обладает способностью спонтанно смачиваться жидким металлом поэтому для обеспечения смачивания и облегчения изготовления композиции необходимо металлическое покрытие. Для пропитки алюминием или серебром поверхность сапфира покрывали более тугоплавкими металлами, т. е. никелем или нихромом [23], улучшающими смачивание покрытия для этих целей наносили распылением. В случае пропитки никелевыми сплавами в качестве покрытий волокон необходимы более тугоплавкие металлы, однако скорость растворения этих металлов сильно ограничивает допустимое время пропитки. [c.170]

Прочность материала при растяжении в направлении, перпендикулярном направлению армирующих волокон (трансверсальная прочность), определяли на специально изготовленных образцах — пластинах длиной 150 мм и шириной 25 мм. Установлено, что величина трансверсальной прочности существенно зависит от состава матрицы и типа армирующих волокон (табл. 7). При исследовании изломов образцов выявлено, что разрушение композиционного материала при трансверсальном нагружении инициируется в матрице на включениях, формирующихся вследствие спонтанной очистки поверхности углеродных волокон матричным расплавом при пропитке,, т. е. вследствие взаимодействия расплава с функциональными группами па поверхности волокна. [c.380]

Макромеханизмы разрушения ушеалюминия с разной степеныо физико-химического взаимодействия компонентов. При изучении углеалюминия, полученного методом принудительной пропитки волокон расплавом матртцы, было, показано, что дпя обеспечения контакта матрицы и волокон по межфазной поверхности и для создания связи между ними требуется определенное энергетическое воздействие, которое достигается в результате действия трех факторов температуры, давления, времени, Но роль этого воздействия двояка. С одной стороны, повышается прочность связи компонентов в результате их физико-химического взаимодействия, с другой - в результате тех же процессов происходит деградация исходных свойств компонентов, в частности разупрочнение волокон и охрупчивание матрицы (рис. 10, д) [50,164]. [c.38]

Борные волокна с покрытием из нитрида бора оказались весьма стабильными в контакте с расплавленным алюминием. Кэй-мехорт [8] показал, что до тех пор, пока сохраняется целостность этого покрытия, борное волокно остается неповрежденным в расплаве алюминия при 1073 К. На основании этих данных был разработан способ изготовления композитов А —В путем пропитки волокон расплавленным металлом. Форест и Кристиан [11] исследовали сдвиговую и поперечную прочности композита, состоящего из борных волокон с нитридным покрытием н матрицы из алюминиевого оплава 6061. Материал был изготовлен диффузионной сваркой. Прочность этого композита на сдвиг оказалась меньше, а поперечная прочность — существенно меньше, чем материалов, армированных волокнами бора и борсика. Такие низкие значения прочности, возможно, обусловлены слабой связью между нитридом бора и алюминием, хотя в работе отсутствуют данные о характере разрушения, которые могли бы подтвердить это предположение. Связь между алюминием и борным волокном с покрытием из карбида кремния в меньшей степени зависит от способа изготовления материала. По заключению авторов цитируемой работы, наиболее удачное сочетание механических свойств имеет композит алюминиевый сплав бОбГ —непокрытое борное волокно, закаленный с 800 К с последующим старением. [c.128]

Алюминий — углеродное волокно. Основным технологическим приемом получения композиционных материалов алюминий — углеродное волокно, наиболее часто применяемым в настоящее время, следует считать пропитку каркаса из углеродных волокон расплавом алюминиевой матрицы. Однако наряду с этим методом некоторые исследователи применяли для изготовления композиций методом диффузионной сварки под давлением [1, 156, 176, 184]. Так, в работах [23, 156] описан технологический процесс получения композиционного материала методом горячего прессования в вакууме углеродных волокон различных марок, на которые методом разложения триизобутила было нанесено покрытие из алюминия. [c.137]

Химическое меднение. Химическое меднение является одним из немногих способов получения композиционных материалов на основе меди и его сплавов, армированных углеродным волокном. Введение углеродных волокон в медные сплавы целесообразно в некоторых случаях, когда требуется материал с высокими элек-тро- и теплопроводностью, близкими к соответствующим характеристикам меди, но более прочный, с более низким температурным коэффициентом линейного расширения. Кроме того, он может служить и хорошим материалом для высокопрочных, самосмазываю-щихся ПОДЦ1ИИНИКОВ трения. Часто химическое меднение исполь-зуют для улучшения смачиваемости углеродных волокон или нитевидных кристаллов в процессе изготовления композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов методом пропитки жидким расплавом, либо в качестве подслоя на этих унрочните-лях, образующего плавящуюся эвтектику в контакте с металлом матрицы, используемым в виде тонких фольг при горячем прессовании. [c.186]

Композиционные материалы на основе волокон из карбида кремния и металлической матрицы. Исследования в этой области в основном посвящены композиционным материалам с алюминиевой матрицей. Это связано с тем, что волокна из карбида кремния имеют близкую к алюминию плотность (2,55 г/см ), а также с тем, что температура плавления алюминия сравнительно низка. Сочетание этих компонентов позволяет пол) ать композиционные материалы с весьма стабильными в широком температурном интервале свойствами. На рис. 8.9 показана зависимость от температуры прочности при растяжении однонаправленного материала на основе алюминия и волокон из карбида кремния, пол) енного методом пропитки волокон в расплаве. Из рисунка видно, что [c.277]

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 твердожидкого состояния матричных сплавов способствует снижению давления и уменьшает вероятность разрушения волокон. [c.467]

Способ пропитки пучка усов расплавом оказался очень полезным для понимания явлений на поверхности раздела жидкий металл — окисел, и с его помощью была установлена возможность упрочнения окислами низкотемпературных металлических матриц. Однако использование этого способа не позволило получить композиты с нужными свойствами, главным образом, из-за трудностей изготовления усов желаемой морфологии и их неоднородности. Проблемы получения требуемых композитов решаются путем использования непрерывных волокон AI2O3, и в настоящее время этот способ более перспективен для получения практически полезных высокотемпературных композитов с металлической матрицей. Как было показано в данной главе, достаточно хорошо разработаны научные основы явлений на поверхности раздела и стабильности армированных окислами композитов при изготовлении их в присутствии жидкой фазы и в твердом состоянии, а также при по- [c.350]

Типичные микроструктуры композиционных материалов с металлической матрицей, полученные с использованием указанных выше армирующих упрочнителей, описаны ниже. На рис. 15 приведена микроструктура боралюминиевого композиционного материала, содержащего 45—50 об. % борного волокна диаметром 100 мкм, достаточно равномерно расположенного в алюминиевой матрице. Наблюдаемые трещины в некоторых волокнах появились, по-видимому, в процессе изготовления шлифа. В центре волокна четко виден сердечник, состоящий из борида вольфрама. На рис. 16 приведена микроструктура углеалюминиевого композиционного материала, в которой видно равномерное распределение углеродных волокон типа ВМН (с прочностью 200 кгс/мм и людулем упругости 24 ООО кгс/мм ). При увеличении 650 отсутствуют видимые следы взаимодействия. Материал получен пропиткой каркаса углеродных волокон матричным алюминиевым расплавом под давлением 50 кгс/см . На рис. 16, б при увеличении 1350 в том же материале видны следы взаимодействия в виде игольчатых [c.46]

ККМ с волокнами карбида кремния. При практически равной прочности эти ККМ имеют преимущества перед аналогичными материалами с углеродными волокнами - повышенную стойкость к окислению при высоких температурах и значительно меньшую анизотропию коэффициента термического расширения. В качестве матрицы используют порошки боросиликатного, алюмосиликатного, литиевосиликатного стекла или смеси стекол. Волокна карбида кремния применяют в виде моноволокна или непрерывной пряжи со средним диаметром отдельных волокон 10 - 12 мкм ККМ, армированные моноволокном, по-лл чают горячим прессованием слоев из лент волокна и стеклянного порошка в среде аргона при температуре 1423К и давлении 6,9МПа. Керамический композит Si-Si , получаемый путем пропитки углеродного волокна (в состоянии свободной насыпки или в виде войлока) расплавом кремния, может содержать карбидную фазу в пределах 25 - 90%. Механические характеристики ККМ увеличиваются с ростом содержания Si . ККМ с волокнами углерода и карбида кремния обладают повышенной вязкостью разрушения, высокой удельной прочностью и жесткостью, малым коэффициентом теплового расширения. [c.159]

I - металлическая матрица 2 - волокно 3 - предварительная обработка волокон 4 - формование полуфабрикатов 5 - получение слоистого материала из полуфабрикатов 6 - формование (получение композиционного материала и придание формы) 7 - вторичная обработка 8 - применение 9 - элементарные волокна 10 - жгуты, нити 11 - ткани 12 - короткие волокна (монокристал-лические усы" и т. д.) 13 - улучшение смачиваемости волокон металлом и адгезии с ним, регулирование реакционной способности поверхности волокон 14 -химическое и физическое осаждение в газовой фазе 15 - металлизация и т. д. 16 — сырые полуфабрикаты в виде листов или лент 17 — металлизованные в расплаве листы или ленты 18 - пропитанная расплавом лента 19 - листы, полученные методом физического осаждения в газовой фазе 20 — придание материалу заданных анизотропных свойств 21 — горячее прессование 22 — горячее вальцевание 23 - горячая вытяжка 24 — HIP 25 — литье с дополнительной пропиткой расплавом 26 — парафинирование и т. д. 27 — механическая обработка 28 - механическое соединение 29 — диффузионная сварка 30 - парафинирование 31 — электросварка 32 — склеивание и т. д. [c.242]

КМ с алюминиевой матрицей. Перспективы эффективного использования КМ с алюминиевой матрицей обусловлены достаточно высокими удельными прочностными характеристиками материала матрицы, например, применение волокнистых КМ с алюминиевой матрицей позволяет получить значительное преимущество в удельной жесткости и снизить массу конструкции на 30...40 %. К числу достоинств данных материалов следует относить и достаточно низкие технологические температурные параметры до 600 °С при получении КМ твердофазными методами и до 800 °С - жидкофазными. Алюминиевая матрица отличается высокими технологическими свойствами, обеспечивает достижение широкого спектра механических и эксплуатационных свойств. При дискретном армировании КМ с алюминиевой матрицей используют частицы из высокопрочных, высокомодульных тугоплавких веществ с высокой энергией межатомной связи - графита, бора, тугоплавких металлов, карбидов, нитридов, боридов, оксидов, а также нитевидные кристаллы и короткие волокна. Существуют различные способы совмещения алюминиевых матриц с дисперсной упрочняющей фазой твердофазное или жидкофазное компактирование порошковьгх смесей, в том числе приготовленных механическим легированием литейные технологии пропитки пористых каркасов из порошков или коротких волокон, или механического замешивания дисперсных наполнителей в металлические расплавы газотермическое напыление композиционных смесей. [c.195]

Способ получения углеалюмипия пропиткой каркаса из армирующих волокон матричным расплавом позволяет использовать большую номенклатуру алюминиевых сплавов в качестве матричных. Как ун е отмечалось, эвтектический сплав А1—12% Si был выбран из-за своей низкой температуры плавления. Усовершенствование процесса изготовления углеродных волокон и их поверхностной обработки дает возможность применять сплавы с более высокой температурой плавления без заметного ухудшения механических характеристик углеродных волокон. В связи с этим последующие исследования были направлены на изучение влияния состава матрицы на свойства углеалюминия, в то же время был организован промышленный выпуск более качественных волокон Торнел-75 и эти волокна стали использоваться в качестве упроч-нителя. Исследовали матрицы следующего состава технический алюминий, сплав с 7% Mg, сплав с 7% Zn и сплав с 13% Si. [c.382]

Никелевые покрытия имеют серьезные недостатки. При длительных выдержках при температурах 1100— 1400 К применение никелевого покрытия углеродных волокон приводит к резкому снижению прочности вследствие рекристаллизации (и графитиза-ции) волокон. При малых толщинах покрытий последующая пропитка расплавом алюминия приводит к растворению покрытия, отслоению матрицы от волокон. При увеличении толщины никелевого покрытия отмечаются высокие концентрации насыщения алюминия никелем, образование интерметаллидного соединения А18Ы1 и охрупчивание матрицы (а косвенно — волокон и композита в целом). [c.24]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...