Файл: Колпашников, А. И. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами.pdf

Следует отметить, что кратковременная прочность стеклянных волокон значительно выше длительной. Это связано прежде всего с тем, что стекло подвергается кор­ розионному ослаблению под действием адсорбируемой влаги.

\4ооо(Ьо) ■v/" " “**

сохранять высокую прочность при повышенных темпера­ турах (рис. 50).

Механическая прочность стекловолокна заметно сни­

114

Очень высокую прочность имеют волокна S-стекла

(например), марки AF-994 или S-994) [81 ]. 1При плотности 2,48—2,49 ;г/см3 предел прочности их при ком­ натной температуре может достигать 4660 МН/м2 (465 кгс/мм2).

Плавленые непрерывные волокна из кварцевого стек­ ла получают вытяжкой стержней диаметром 0,2—2,,0 мм. Стержни подают в пламя водородной или обычной га­ зовой горелки с [постоянной скоростью, и из размягченно­ го концевого участка (температура размягчения 1670°С) вытягивают нить [83] и наматывают на полированный барабан. Прочность таких волокон возрастает с их уто­ нением. Волокна диаметром 0,8 мкм имеют предел проч­ ности 6500 МН/м2 (650 кгс/мм2). Максимальная проч­ ность в отдельных партиях достигает 9800 МН/м2 (980 кгс/мм2). Плавленые кремнеземные волокна имеют пониженную плотность 2,20—2,21 г/см3, высокие модуль упругости 736001—74900 М|Н/м2 (7360—7490 кгс/мм2) и модуль сдвига 31400—81900 МН/м2 (3140—3190 кгс/мм2),

причем упругие характеристики этих волокон увеличива­ ются с повышением температуры: модуль упругости при 900°>С достигает 83000 (8300), а модуль сдвига 34500 М'Н/м2 (3450 кгс/мм2). Прочность плавленых квар­ цевых волокон при повышенных температурах остается высокой [80]:.

Плавленые кварцевые волокна иногда производят с металлическим покрытием [84]. Покрытие наносят не­ посредственно после выхода волокна из фильеры, про­ пуская его через ванну с расплавом никеля, молибдена, алюминия, железа, циркония или других, металлов. На рис. 51 показана схема получения алитированных квар­ цевых волокон, прочность которых при диаметре 20 мкм составляет 2800 МН/м2 (280 кгс/мм2).

.Весьма перспективны армирующие волокна бора [81, 85]. Волокна бора обычно имеют металлическую туго­ плавкую (вольфрамовую) сердцевину (диаметр 13 мкм). Эти волокна имеют предел прочности 3500 (350), модуль упругости 420000 МН/м2 (42000 кгс/мм2) и плотность

2,6 г/см3.

115

Борволокно получают восстановлением галогенидов (ВС1, ВВгз, В1,3) в присутствии водорода либо термиче­ ским разложением гидрида бора [2].

В первом случае происходит следующая реакция:

2ВС1, + ЗН 2-*2В + 6НСН.

Во втором случае реакция показана обобщенно, так как существуют различные модификации гидрида бора:

В , Н ^ * В + у/2 Ня.

Осаждение бора проводят в герметичной камере (рис. 52), предварительно электрически нагревают воль­ фрамовую нить — сердечник или подложку и очищают ее поверх­ ность. В качестве газового затво­ ра применяют ртуть. В камеру осаждения газ (например, ВС13)

поступает при действии избыточ­ ного давления.

Температура осаждения имеет решающее значение. При пони­ женных температурах (980°С и ниже) скорость осаждения бора слишком мала. При повышенных температурах (1200—1315°С) растут крупные кристаллиты, что заметно снижает прочность воло­ кон.

Бор, осажденный из паровой фазы, имеет несколько структур­ ных модификаций;наиболее проч­ ны волокна с микрокристалличе­ ской структурой. В процессе вы­ держки какого-либо участка вольфрамовой нити в камере осаждения в течение 1—2 мин

получают борволокно диаметром 76—127 мкм. Длина получаемых по рассмотренной схеме волокон достигает

3000 м.

Большое внимание.в последнее время уделяется раз­ витию процессов производства углеродных волокон. В ка­ честве исходных используют целлюлозные, полиакрило­ нитрильные, поливинилспиртовые, поливинилхлоридные, полибензимидазольные и некоторые полиамидные во-

116

лоина. Чаще всего в промышленных масштабах приме­ няют гидрата,еллюлозные и полиакрилонитрильные во­ локна.

Наиболее .высокими прочностными свойствами обла­ дают волокна, получаемые в результате термической об­ работан химических волокон. По содержанию углерода и температуре термической обработки углеродные волок­ на делятся на три категории:

ние углерода не превышает 90%, а термическая обработ­ ка производится при температурах 360—450°С;

б) угольные, в которых содержание углерода 91—98%,

волокон) процесс может идти в несколько стадий. На­ пример, полиакрилнитрйльное волокно сначала нагрева­ ют до 220°С и выдерживают при этой температуре в те­ чение 20 ч. На этой стадии материал волокна окисляется кислородом воздуха. Затем волокно нагревают до 980°С

(14000 кгс/мм2). На следующей возможной стадии обра­ ботки (температура 2480—2бОО°С, выдержка 2 ч) к ни­ тям в течение 15 мин может быть приложено' натяжение 0,035 МН/м2 (0,35 кгс/см2). После такой обработки лре-

117

дел прочности повышается до 3500 М1Н/м2 (350 кгс/мм2), а модуль упругости — до 350 ГН/м2 (35000 кгс/мм2). На- 'юонец, нагрев! до 270О°С и выдержка в течение 1)5 мин позволяют еще более повысить модуль упругости — 420 ГН/м2 (42000 кгс/мм2). Для дополнительного повы­ шения прочности свойств волокон используют различные мары. Например, для увеличения прочности перед пиро­ лизом вводят буру либо золь кремневой кислоты, для увеличения модуля упругости при высокотемпературном вытягивании волокон вводят бор. Облучение углеродных волокон нейтронами позволяет увеличивать их модуль сдвига [86]. ■

Следует отметить, что продукты термического разло­ жения полиакрилонитрильного волокна очень-токсичны.

М|еханические свойства углеродных волокон, получен­ ных в результате термической обработки полиакрило­ нитрильного сырья, приведены в табл. 35.

Таблица 35

Характеристики углеродных волокон, выпускаемых в Англии [86]

сухой перегонки целлюлозных материалов. Пиролиз ве­ дут в защитных средах при ступенчатом либо линейном повышении температуры. Наиболее пригодными из гидратцеллюлозных волокон считают вискозные кордные во­ локна, а также омыленное нитроцеллюлозное, ацетатное и некоторые другие виды волокон [86].

На первой стадии обработки сырье очищают в водных растворах моющих средств или огранически.ми раствори­ телями. Затем сушат при температуре 100—125°С в те­ чение 10'—24 ч.

На второй, основной, стадии сырьевые волокна тер­

118