1.Нитевидные кристаллы («усы») рассматривают как наиболее перспективный материал для армирования КМ: сверхвысокая (близкая к теоретической) прочность в широком диапазоне температур, малая плотность, химическая инертность ко многим материалам матрицы.

Это монокристаллы диаметром до 10 мкм с отношением длины к диаметру 20–100. Получают НК из SiC, оксида и нитрида алюминия, нитридов кремния, бора.

Усы металлов склонны к разупрочнению при переработке, несовместимы с металлическими матрицами и непригодны для их армирования.

Методы получения:

1. 
   осаждение из газовой фазы с использованием транспортных реакций, пиролиза, восстановления летучих соединений;
   
2. 
   вискеризация – выращивание НК на поверхности готовых армирующих волокон с целью увеличения прочности связи на границе между волокном и матрицей. Например, вискеризация углеродных волокон нитевидными кристаллами проводится методом восстановления в водороде тетрахлорида кремния. Концентрация и размеры НК определяются температурным режимом, содержанием SiCl₄ в газовой фазе, временем, типом покрытия на волокне (так, покрытие углеродных волокон медью существенно повышает концентрацию НК и их длину) и т.д.
   
3. 
   кристаллизация из растворов;
   
4. 
   химические методы.
   

Однако широкое внедрение НК сдерживается несовершенством технологии их получения в промышленных масштабах, сложностью их ориентации в материале матрицы, сложностью технологии деформирования материалов, армированных нитевидными кристаллами.
2. Металлическая проволока (Ø20–1500 мкм ) из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена, бериллия, титана и других металлов имеет меньшую порочность, чем нитевидные кристаллы. Однако ее выпускают промышленно в больших объемах и в связи с более низкой стоимостью широко применяют для армирования КМ.

Проволоку из сталей аустенитного, аустенитно-мартенситного и мартенситного классов получают волочением, высокопрочную проволоку из W и Мо – методами порошковой металлургии. Прессуют штабики Ø2,75 мм, спекают при температурах до 3000 ^оС, затем подвергают волочению на первых стадиях при 1000 ^оС, постепенно температуру снижают до 400–600 ^оС на заключительных стадиях. В процессе изготовления проволоку подвергают нескольким промежуточным отжигам.

---

Проволоку из W и Мо целесообразно применять для армирования жаропрочных сплавов.

Волочение бериллиевой проволоки ведут при 400–480 ^оС в металлической оболочке из пластичного металла, например, никеля. После волочения оболочку удаляют стравливанием покрытия и выполняют сглаживание поверхности проволоки электрохимической полировкой. Бериллиевую проволоку чаше применяют для армирования матриц с малой плотностью (Al, Mg, Ti).

Металлическая проволока отличается высокой конструкционной прочностью, технологичностью, надежностью в эксплуатации. Высокая пластичность позволяет изготавливать из нее ткани различного плетения, также используемые для армирования КМ.

3. Неорганические поликристаллические волокна имеют малую плотность, высокую прочность, хим.стойкость. Широко применяют стеклянные, борные, углеродные волокна, волокна из карбидов, боридов и других соединений, отличающиеся высокими твердостью, жаропрочностью, модулями упругости, низкой плотностью.

Борные волокна получают восстановлением хлорида или бромида бора водородом с осаждением из газовой фазы на горячей вольфрамовой нити Ø12 мкм. В результате взаимодействия вольфрама с бором середина борных волокон состоит из боридов вольфрама различного состава. Диаметр волокон – 70-100 мкм.

Борные волокна обладают высокой прочностью (Ϭ_В = 3500 МПа) и жесткостью (Е = 420 ГПа) при низкой плотности (2600 кг/м³) и температуре плавления 2300 ^оС.. При температуре выше 400 ^оС они окисляются, выше 500 ^оС начинают взаимодействовать с алюминиевой матрицей. Для повышения жаростойкости и хим.стойкости их покрывают карбидом кремния, карбидом или нитридом бора (толщина покрытия – 3–5 мкм). Борные волокна, покрытые слоем SiC, называют борсиком.

Углеродные волокна получают на основе трех видов волокон-прекурсоров: полиакрилонитрильных, вискозных (гидратцеллюлозных) и пековых (из нефтяных и каменноугольных пеков).

Процесс производства УВ сводится к пиролизу (термическому разложению) полимеров в жестко контролируемых условиях. Так, получение УВ из акрильного волокна сводится к последовательному проведению операций окисления, карбонизации и графитизации. Окисление ПАН-волокон проводят при 200–300

---

^о С. Карбонизация проходит при температуре выше 900 ^оС в атмосфере водорода, и на этой стадии исходному волокну придается огнестойкость. При температуре 2500 ^оС формируется структура углеродного волокна. Обработку проводят в инертной среде (N₂, Ar, He).

Структура углеродного волокна состоит из системы лентообразных слоев конденсированного углерода с гексагональной структурой, называемых микрофибриллами. Группы одинаково ориентированных микрофмбрилл, разделенных порами, называются фибриллами. Взаимное расположение фибрилл, степень их ориентации зависит от исходного сырья и технологии получения волокон. В результате свойства УВ могут изменяться в широких пределах.

В настоящее время освоено производство

1) высокопрочных волокон (Ϭ_В =2500–3200 МПа, Е = 180–220 ГПа) и

2) высокомодульных волокон (Ϭ_В =1400–2200 МПа, Е = 350–550 ГПа)

Из-за высокой хрупкости УВ их текстильная переработка затруднена. Поэтому необходимые для армирования текстильные структуры изготовляются из волокон-прекурсоров и в таком виде уже подвергаются высокотемпературной термической обработке и превращению в углеродные волокнистые материалы.

УВ являются термостойкими, трудногорючими и химически стойкими материалами. Они обладают электропроводностью, зависящей от условий их получения и введения легирующих добавок.

Недостаток – плохая смачиваемость металлами и полимерами. Для повышения адгезионной способности их обезжиривают, подвергают химическому травлению, либо покрывают тонким слоем полимера-протектора или боридами титана, циркония. Для увеличения термостойкости в воздушной среде их покрывают покрытиями из карбидов или нитридов.

Основные формы УВ армирующих элементов: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, холсты и нетканые материалы.

Стеклянные волокна (Ø3–100 мкм, длина до 20км).Виды:

1. 
   непрерывное;
   
2. 
   штапельное (небольшой длины (1–50 см)с хаотичным расположением волокон) разного поперечного сечения.
   

Стекловолокна и стеклонити, изготовляемые из различных видов стекол, являются основным видом неорганических армирующих волокон. Наиболее распространены следующие их типы: А – щелочное (содержащее добавки K₂O Na₂O), С – хемостойкое, E – электроизоляционное, S – высокопрочное (прочность 4500 МПа)

---

.

Непрерывные волокна получают вытягиванием из расплава через фильеру; короткие – вытягиванием непрерывного волокна с последующим его делением на короткие отрезки или раздувом струи расплавленного стекла центробежным методом.

Прочность стекловолокна –3–6 тыс. МПа, много больше прочности исходного стекла. Особенно высокой прочностью отличаются «нетронутые» волокна с неповрежденной поверхностью, которые отбирают сразу после вытяжки.

Выпускные формы стекловолокнистых материалов: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, холсты и нетканые материалы.

Используются также полые стекловолокна и полые микросферы, что позволяет снизить эффективную плотность, а значит, и массу изделия.

Преимущества СВ: термостойкость, химическая и биологическая стойкость, прочность, низкие ТКЛР и теплопроводность, невысокая плотность.

По ряду свойств к стекловолокнам близки волокна на основе природного силиката – базальта, им присуща более высокая хемостойкость.

Поликристаллические керамические волокна имеют структуру спеченной беспористой керамики с супермелкими неориентированными зернами, размеры которых много меньше поперечного сечения волокна.

Получают их тремя методами:

1) пленочный: на пленку наносят растворы органических солей алюминия, ниобия, тантала, хрома, железа, кобальта, никеля или др.металлов, затем подложку подсушивают для удаления растворителя, разделяют на полоски, отжигают для удаления органики, при этом полоски превращаются в волокна оксидной керамики толщиной 0,5–5 мкм, шириной 50–500 мкм и длиной до 40 мм. Недостаток – невозможность получения волокон круглого сечения и непрерывных нитей.

2) экструзия: приготовление суспензии высокодисперсного порошка с органической связкой, экструзия волокон с одновременным отверждением, вытяжка, намотка на барабан, удаление растворителя, отжиг для удаления органичекских веществ. Так получают волокна из оксидов, карбидов, силицидов Ø5–160 мкм.

3) деформация порошковых смесей: смесь порошков оксидов и металлов прессуют, цилиндрические штабики спекают, подвергают горячей экструзии, затем удаляют металлическую связку, например, электролитическим травлением. Так получают волокна из оксидов циркония, гафния, тория Ø40–100 мкм и длиной 2,5–4 мм. Недостатки: необходимость удаления металлической связки и невозможность получения непрерывных волокон.

---

Поликристаллические керамические волокна используют для армирования керамических и металлических КМ.

Монокристаллические керамические волокна (МКВ) имеют очень высокую удельную прочность, близкую к прочности нитевидных кристаллов, высокие модули упругости, низкую плотность. Параметры прочности сохраняются неизменными до температуры 1200 ^оС, что делает эти материалы перспективными для создания жаропрочных материалов. Получают их путем выращивания из расплавов.

1) Метод Чохральского: непрерывные волокна получают путем введения в тигель с расплавленной шихтой ориентированной затравки и ее вытягивания с волокном через плавающий на поверхности расплава формообразователь-фильеру или капилляр. Получают, например, волокна сапфира Ø0,4–0,5 мкм.

2) Метод Тейлора: вытягивание из расплава нити в стеклянной оболочке. В кварцевый капилляр загружают исходное сырье. В зоне нагрева материал плавится при температуре размягчения кварца и вместе с кварцевой оболочкой наматывается на барабан. Волокна сапфира Ø1 мкм.

3) Метод Вернейля: исходный материал в виде высокодисперсного порошка непрерывно подается на расплавленную верхнюю часть нагреваемого кристалла. Преимущество: не нужен тигель, что позволяет выращивать монокристаллы тех веществ, для которых не существует инертных (не взаимодействующих с ними) тиглевых материалов.

4) Метод плавающей зоны: выращивание МКВ осуществляется путем расплавления узкой зоны цилиндрического слитка или прессовки из порошка исходного материала. Расплавленная зона удерживается силами поверхностного натяжения жидкости или сжимающим эффектом э/м поля при индукционном нагреве. Она перемещается с постоянной скоростью вдоль заготовки с одновременным вытягиванием волокна из зоны плавления. Диаметр волокна определяется скоростью вытягивания. Так получают волокна из сапфира, рубина, карбида и борида титана.

МКВ используют для армирования жаропрочных КМ с металлической матрицей.
Органические синтетические волокна (ОСВ) имеют высокие механические свойства за счет высокой жесткости и прочности вытянутых макромолекул, ориентированных вдоль оси волокна.

Получают их выдавливанием полимера через фильеры с последующим отверждением. Механические свойства определяются степенью вытяжки и режимом термообработки. Теоретическая прочность, рассчитанная, исходя их предположения, что все макромолекулы вытянуты вдоль волокна, очень высокая. Реальная – на 1,5–2 порядка ниже. Например, для полиэтилена высокой плотности Ϭ

---

Смотрите также файлы

• Контрольная работа по курсу Экономика организаций (предприятий).doc

• Слайд 2 Содержание.ppt

• Трбие сааты Дені сауды жаны жау Кні.docx

• Отчет об учебной практике пм 02 Организационное обеспечение деятельности учреждений социальной защиты населения и органов Пенсионного фонда Российской Федерации.docx

• Контрольная работа по дисциплине Артменеджмент.rtf