Файл: Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами..pdf

литов Я и D. Влияние примеси бора выражено менее явно [61]. Примесь бора повышает проводимость волокон [120] и уменьшает проводимость монокристалла графита при той же концентра­ ции [121].

Кроме того, для волокон с примесью бора характерны повышен­ ное совершенство упаковки атомов углерода и большая, чем для нелегированных волокон, преимущественная ориентация базисных слоев [88]. Эти экспериментальные данные позволяют, согласно [61], предположить, что примесь бора приводит к процессу рекристал­ лизации, схематически изображенному на рис. 56. Улучшение проводимости при такой рекристаллизации объясняется уменьше­ нием числа центров рассеяния, а повышение модуля Юнга — уве­ личением степени преимущественной ориентации и модуля сдвига кристаллитов, поскольку легирование бором, так же как и облу­ чение нейтронами, повышает модуль сдвига графита [122]. Однако только эти причины не могут, согласно [61], привести к столь ярко выраженным эффектам повышения прочности и жесткости воло­ кон при облучении и легировании.

Отклонение от закона Гука при малых растягивающих напря­ жениях с одновременным изменением коэффициента затухания ультразвуковых колебаний от сравнительно больших значений до более или менее постоянных при росте растягивающего напряже­ ния [94] позволяют предположить [61, 94] наличие в кристаллитах скользящих дислокаций, движущихся к границам кристаллитов при малых механических напряжениях. По-видимому, облучение нейтронами и диффузия бора оказывают влияние на механизм дви­

жения дислокаций, в результате чего повышается модуль Юнга и прочность.

Согласно [61], аналоГИЧНые явления должны сопровождать разрыв углеродного вол0кна: с приложением внешнего растяги­ вающего напряжения в каждом кристаллите зарождаются дисло­ кации, которые перемещаются к границам кристаллитов, образуя

66

Рис 57. Зависимость прочности а обычных (а) и утоненных (б) волокон от тем­ пературы пиролиза Т [74]

со сдвиговыми деформациями кристаллитов параллельно базисным слоям.

Утонение углеродных волокон различными методами полировки их поверхности устраняет значительную часть поверхностных ма­ кродефектов [74]. Установленная в работе [74] зависимость прочно­ сти обычных и утоненных углеродных волокон от температуры пиролиза представлена на рис. 57. Анализ этой зависимости с точки зрения изложенного механизма разрыва волокон приводит, соглас­ но [61], к следующим выводам. Увеличение прочности в области 1 связано с возрастанием роли сильных С—С связей по мере роста температуры. Ход кривых в области 2 указывает на то, что выше 1250° С прочность не определяется наличием макродефектов и ме­ ханизм разрыва заключается в появлении сдвиговых деформаций внутри кристаллитов, вызывающих локальные концентрации на­ пряжений и зарождение микротрещин. Такой механизм начинает действовать, когда размеры кристаллитов становятся достаточно

Вытягивание волокон при температуре пластической деформа­ ции повышает модуль Юнга за счет изменения ориентации базис­ ных слоев, однако прочность волокон при этом не уменьшается, хотя размеры кристаллитов увеличиваются [61]. Согласно [61, 85], это объясняется повышением степени преимущественной ориента­ ции, снижающим сдвиговые напряжения параллельно базисным плоскостям, а также уменьшением плотности дислокаций в резуль­ тате соответствующей диффузионной перегруппировки атомов на границах кристаллитов при высокой температуре с одновременным приложением растягивающего напряжения. Последнее подтвер­ ждается экспериментально [85].

Легирование бором может приводить к образованию ламелей упорядоченного графита без снижения прочности и модуля Юнга

3* 67

углеродных волокон [61]. Для объяснения этого явления можно допустить два предположения: либо процесс рекристаллизации не получает должного развития, либо легирование бором не только содействует рекристаллизации, но и закрепляет дислокации [61]. Основываясь на изложенном механизме разрыва волокон и приме­ няя уравнение Холла — Петча, можно получить разумные оценки для прочностных характеристик углеродных волокон, хотя для развития строгой теории экспериментальных данных пока недо­ статочно [61].

При весьма большой жесткости углеродных волокон по срав­ нению с совершенным графитом прочность их составляет всего около 1 % от величины модуля Юнга и очень далека от прочности ните­ видных кристаллов графита. Для выявления причин столь большого различия, целенаправленного повышения прочности и улучшения свойств волокон необходимы, с одной стороны, широкие исследо­ вания их физических свойств с учетом всех методологических структурных и технологических факторов, влияющих на эти свой­ ства, а также дальнейшее развитие методов исследования тонкой структуры в целях выбора адекватной модели строения углерод­ ных волокон. С другой стороны, необходим строгий контроль про­ цесса графитизации на уровне тонкой структуры и технологии изготовления исходных полимерных волокон для устранения по­ верхностных и внутренних макродефектов. В свою очередь это возможно при более глубоком, чем в настоящее время, понимании сущности структурных изменений при превращении исходных по­ лимерных волокон в углеродные. Поскольку современные представ­ ления связывают механизм разрыва углеродных волокон с зарож­ дением и перемещением дислокаций внутри элементов тонкой струк­ туры, методы обработки волокон, препятствующие движению ди­ слокаций, могут позволить изготавливать более жесткие и прочные, чем в настоящее время, углеродные волокна. Такими методами

ТЮ2), карбидов SiC, В4С4, нитриде бора и различных соединениях — B4Si, B0Si, А1В2 , А1В3, ТіВ2. Непрерывные волокна этих материа­ лов получают различными способами:

а) из расплава (как стекловолочение); б) путем осаждения на нагретую нить (как волокно бора):

например, карбид кремния получают по реакции

CH3SiCI3 + SiC + 3HClf ;

68

Рис. 58. Зависимость прочности раз­ личных керамических волокон от пло­ щади их поперечного сечения [36]

в) методами порошковой металлургии (А120 3);

г) выдерживанием коллоидных растворов Zr02, Si02 и их смесей. О механических свойствах этих волокон известно мало, хотя в некоторых случаях прочность их была высокой (рис. 58) [36].

Аіногое еще остается неясным (природа границ зерен, связь проч­ ности со структурой и состоянием поверхности), так как работы по созданию поликристаллических неорганических волокон по сути дела еще только начались.

Ли т е р а т у р а

1.Г . В . Бережкова. Нитевидные кристаллы. М., «Наука», 1969.

2. S. S. Brenner. Acta metallurgica, 1956, 4, 62.

3.И. А. Одине, И. М; Копьев. Труды Ин-та металлургии им. А. А. Байкова

«Металлургия, металловедение, физико-химические методы исследования», вып. 11. Изд-во АН СССР, 1962, 99.

12.В. H. Грибков, А. А. Мукасаев, Б. В. [Цетанов. Порошковая металлур­

гия, 1970, № 3, 84.

13.Z. Gynlai. Z. Phys., 1954, 138, 317.

14.С. 3. Бокштейн, С. Т. Кишкин, И. Л. Светлов. Сб. «Исследования по

высокопрочным сплавам и нитевидным кристаллам». М., Изд-во АН СССР,

1963, 20.

15. А. П . Александров, С. Н. Журков. Явление хрупкого разрыва. Л .— М.,

ГТТИ, 1933.

16.В. Н. Геминов, И. /VI. Копьев. Труды Ин-та металлургии им. А. А. Байкова

«Металлургия, металловедение, физико-химические методы исследования», вып. 10. М., Изд-во АН СССР, 1962, 202.

17.В. Biouzel, R. Conte. С. г. Acad. sei., 1965, 260, 1089.

18. S . S . Brenner. J. Metals, 1962, 14, N 11, 889.

19.C. 3. Бокштейн, Г. H. Зайцев, С. Т. Кишкин, М . П. Назарова, И. Л.

Светлов. ФТТ, 1970, 12, № 6, 1629.

20.G. L. Pearson, W. Т. Read, W. L. Feldmann. Acta metallurgica, 1957, 5, 181.

21.А. В. Серебряков, В. Г. Костюк, К- К. Зилине. ФТТ, 1955, № 7, 858.

22.В. С. Иванова ti др. Усталость и хрупкость металлических материалов.

М., «Наука», 1968.

69

23.Ц. Каролл-Порпинский. Материалы будущего. М., «Химия», 1966.

24.И. Н. Францевич и др. Композиционные материалы волокнистого строе­

ния. Киев, «Наукова думка», 1970.

25.И. А. Одинг, И. М. Копьев. Сб. «Исследования по высокопрочным сплавам

инитевидным кристаллам». Изд-во АН СССР, 1963.

26.Н. Schladitz. Pat. BRD N 1224934, 1967.

27.Н. Schladitz. Z. Metallkunde, 1958, 59, N 1, 19.

28.А. И. Колпашников, А. С. Белоусов, В. Ф. Мануйлов. Высокопрочная не­

ржавеющая проволока. М., «Металлургия», 1971.

29.Сб. «Высокопрочная сталь». М., «Металлургия», 1965, 215.

30.A. Burwood-Smith. Fibre Sei. and Technol., 1970, 3, N 3, 105.

31. И .Н .К и д и н , В. И. Лизунов, В . М . Белявская. Изв. вѵзов, Ч. М., 1971,

№ 5.

32.LI. Sokichi, N. Кого. Bull. Tokyo Inst. Technol., 1971, N 106, 101.

33./. Nixdorf. Proc. Roy Soc. London, 1970, A319, N 1536, 17.

34.Сб. «Непрерывное стеклянное волокно». М., «Химия», 1965.

35.Г. Д. Андриевская. Высокопрочные ориентированные стеклопластики. М.,

«Наука», 1966, 21.

36.Сб. «Современные композиционные материалы». М., «Мир», 1970.

37.Industr. Res., 1969, Oct. 59.

38.N. В. Schwartz. Iron Age, 1970, 206, N 17, 55.

39.H. С. Волкова и др. Получение угольных и графитовых волокон из природ­

ных и синтетических волокнистых материалов (обзор патентной литера­ туры). М., Изд. Всес. науч.-нсслед. ии-та искусств, волокна, 1970.

40.The Engineer, 1969, 229, N 59434.

41.J. Composite Mater., 1969, 3, Oct. 684.

42.Mater., Engng., 1968, 68, N 2, 49.

49.Mikawa Sumoto. Chem. Econ. and Rev., 1970, 2, N 8, 43.

50.R. D. Veltsi, F. S. Galasso. J. Amer. Ceram. Soc., 1971, 54, N 6.

51.J. Hirl. J. Appl. Polymer. Sei., 1963, 7, N 4, 1175.

52.R. Hosemann. Structure of organic solids and new organic polimers. Oxford —

London — N. Y.— Philadelphia, 1963.

53.D. J. Johnson, C. N. Jyson. Brit. J. Appl. Phys., 1969, ser. 2, 2, 787.

54.IF. Watt, W. Johnson. Appl. Polymer. Sympos., 1969, N 9, 215;

55.R. Bacon, A. F. Silvaggi. Carbon, 1968, 6, N 2, 230.

59.IF. Watt. Paper presented at I Pand PS Conference «Fibres for Composites»,

Brighton, 1969, June.

60.IF. Watt. Nature, 1969, 222, 265.

61.G. A. Cooper, R. M. Mayer. J. Mater. Sei., 1971, 6, N 1, 60.

62.IF. Watt, L. N. Phillips, IF. Johnson. The Engineer, 1966, 221, N 8, 815.

63. R. Bacon. 8-th Biennial Carbon Conf., Buffalo, 1967.

64.H. M. Ezerkiel. 155th Nat. Amer. Chem. Soc. Meeting, Abstracts, 1968, D 14.

65.H. M. Ezerkiel. Fibre Sei. and Technol., 1970, 2, N 4, 329.

69.M. Yamamoto, S. Yamada. Appl. Polymer. Sympos., 1969, N 9, 263.

70.R. Schile. Rev. Scient. Instrum., 1967,38, N 9, 1103.

70