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

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 23.10.2024

Просмотров: 60

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Рис. 44. Схема получения стеклянных нитей из штабиков [34]

1 — кассета со штабнкамн; 2 — газовая горелка; 3 — барабан

Рис. 45.

Схема получения стеклянного волокна

из стекломассы [34]

1 — пламенная

печь для плавки стекла; 2 — трубка для

удаления

продуктов сгорания;

3 — горелка; 4

— окно для поступления стекломасса

в

фильтры;

5 — фильерная пла­

стинка;

6 — барабан

 

 

 

 

 

 

 

- 4* 1

Рис. 46. Схема автоматического получения стеклянного волокна из стеклошариков [34]

1 — бункер; 2 — стеклошарнки; 3 — подготовительный

ручей; 4 — дозатор;

5 — отсе-

катель; 6 — пропускающая деталь; 7 — электромагнит;

5 — датчик

высоты

уровня;

9 — загрузочные ручьн; 10 — стеклоплавильный сосуд;

11 — задатчик

высоты уровня;

12 — реле; 13 — фильерная пластина

 

 

 

распространен способ выщелачивания стеклянных нитей в разбав­

ленных растворах минеральных кислот по

схеме [24]: стекло-*

плавленое стекло образование

стержней

образование волок­

на (d = 0,01—1

мкм) -*• выщ елачиваниепромывка волокна дис­

тиллированной

водой сушка

волокна

термообработка при

540° С для удаления связанной воды.

Прочность стеклянных и кварцевых волокон зависит от многих факторов (рис. 48): 1) от диаметра и длины нити; 2) от условия испытания (вакуум, воздух, влажная атмосфера); 3) от времени до начала испытания; 4) от температуры испытания и длительности ее воздействия на волокна.

На рис. 48, а представлены наиболее надежные данные1 о масштабной зависимости волокон кварца и стекла. Подобные за­ висимости имеют место и для длины. Так, средняя прочность стек­ лянных нитей длиной 5 мм достигала 150 кГІмм12, а волокон длиной 1500 мм — только 72 кГІмм2. Для волокон одного диаметра и од­ ной длины всегда наблюдается некоторое статистическое распределе­ ние прочностей отдельных волокон. Модули упругости кварцевых и стеклянных волокон не зависят от диаметра (рис. 48, б).

Зависимость прочности кварцевых волокон от температуры (см. рис. 48) имеет сложный характер, в то время как прочность стеклянных волокон постепенно падает с увеличением температуры.

Температура

размягчения

различных

стекол колеблется от 450

до 650° С. В

настоящее время

в

США получены высокопрочные

стеклянные волокна типа S (сгв

=

420

кГІмм2, Е = 8700 кГІмм2)

и 970— S(3B=

560 кГІмм2,

Е =

10500

кГІмм2), хорошо смачиваю­

щиеся полимерными матрицами и имеющие сравнительно низкую стоимость (0,45 — 7 долл./фунт) [36, 37].

Стеклянные волокна с успехом применяются при создании ком­ позиционных материалов с платмассовой матрицей. Производство их достигло 500 тыс. т в год; оно хорошо механизировано и позво­ ляет получать дешевые волокна. Для упрочнения металлов их труд­ но использовать (хотя такой опыт и имеется [36]) из-за определен­ ной нестабильности свойств стеклянных волокон при воздействии среды, высокой температуры и механических нагрузок.

Стеклянные и кремнеземные волокна с металлическим покры­ тием. Особо следует сказать о стеклянных и кремнеземных волок­ нах, покрытых металлами, ибо это покрытие имеет большое значе­ ние для технологии получения композиционных материалов, поз­ воляет получить лучшую связь в композите между волокном и мат­ рицей, повысить стойкость волокон к истиранию и изгибу, увеличить их прочность на растяжение.

Разработано несколько способов нанесения металлических по­ крытий на стеклянное и кварцевое волокна (рис. 49) [23]. Кроме перечисленных методов металлизации кремнеземных волокон имеет-

1Есть сведения [35], что в некоторых случаях прочность кварцевых нитей до­ стигала 2500—3700 кГІмм2, при прочности массивного кварца а = 7 ~ 8 кГІмм-.

45

ся и множество других: электрохимические, разложение карбонилов металлов и т. д. Стеклянные волокна покрывали цинком, никелем, медью, сталью. Указывается [23], что металлизированное волокно отличается повышенной эластичностью и высокой прочностью.

Кроме металлов на поверхность волокон могут быть нанесены и химические соединения, например трехокись хрома, которая при дальнейшем нагревании волокна превращается в полуторную окись хрома. Процесс нанесения хромового покрытия прост: стекловолокно погружают в водный раствор трехокиси хрома при комнатной температуре на время, достаточное для его смачивания. Температура размягчения поднимается до 1600° С. Эффективность таких покрытий зависит от концентрации раствора и диаметра во­ локна (табл. 10).

46

4

Рис. 47.

Схемы получения кварцевых волокон [23]

 

 

а — схема

производства минеральной шерсти

из кварцевого

волокна: I — барабан»

2 — волокно, 3 — направляющие, 4 — зажим, 5 — каретки,

6—20 стержней диаметром

6—7 мм,

7 — станина, 8 — горелка,

9 — осевая горелка,

10 и

11 — отверстия, 12 —

подача: б — аппарат для получения

плавленых

кремнеземных

волокон: 1 — клеммы,

2 — шины, 3 — детали корпуса, 4 — втулка, 5 — вольфрамовая

лента, 6 — изоляция,

7 — термоизоляция, 8 — стержень, 9 — кожух,

10 — плита, 11 — отверстие фильеры,

12 — барабан, 13 — нить, 14 — каналы для

ввода азота; в — схема аппарата для полу­

чения кремнеземных волокон: 1 — бункер,

2 — отверстие, 3 — направляющая трубка,

4 — реакционная камера, 5 — муфельная печь, 6, 7 — горелки,

8 — камера, 9 — плита,

10 — болты, 11 — мотовило, 12 — сальпиковая коробка, 13 —

входное отверстие, 14 —-

выходное отверстие, 15 — труба, 16 — печь, 17 — камера плавления, 18 — сформованная масса, 19 — нить

Т а б л и ц а

10. Температура плавления

боросиликатного стекла после

нанесения покрытия из СгОз [24]

 

 

 

 

^BOJP МКЛі

Покрытие, г

т

плавл»

°с

<*ВОЛ’ мкм

Покрытие, г

^плавЛ' °С

на 1

г волок­

1

^

на і г волок­

 

на

 

 

 

 

 

на

 

0 ,d 8

0

,0 6 3

 

1100

1

2 ,5

0 ,0 6 9

1650

0 ,1 8

0

,0 8 4

 

1320

 

9

0 ,0 8 7

1100

0 ,1 8

0

,1 0 5

 

1650

 

 

 

 

П р и м е ч а н и е .

Гплавл бороснлнкатного стекла — 816—871° С.

 

47

Рис. 48. Изменение прочности (а) и модуля упругости (б) кварцевыхи стеклян­ ных волокон в зависимости от диаметра волокна; изменение прочности кварцевых нитей [35, 36] от температуры (в) и времени нагрева (г)

1 — кварцевые; 2 — базальтовые, 3 — алгомоборосилнкатиые, 4 — натриіі-кальциено- силнкатные (на рис. б — две верхние кривые — по Журксюу, нижняя — по Рейнкоберу)

Нанесение тугоплавких покрытий на стеклянные волокна по­ зволило расширить область их применения.

Кроме непрерывных кремнеземных волокон в послевоенные годы было разработано большое количество различных типов дискрет­ ных волокон (методом раздувания струи жидкого расплава и после­ дующей обработки полученных волокон). Вот некоторые из них. Рефразил— стеклянные нити, обработанные кислотами (кроме пла­ виковой и фосфорной) с последующей дегидратацией. Чтобы умень-

43

а

Рис. 49. Схемы установок

для

 

 

нанесения покрытий

на волокно

 

 

а — металлизация стекловолокна из

 

 

паровой фазы [23]:

/ — печь, 2 —

 

 

прядильная головка,

3 — нагрева­

 

 

тельный элемент, 4 — газовая каме­

 

 

ра, 5 — камера

с парами

металла,

 

 

6 — камера

восстановления

газа,

 

 

7 — натяжные ролики, 8 — направ­

 

 

ляющее устройство,

9 — приемное

 

 

устройство,

10 — газ,

11 — пары

 

 

металла или

карбонила

металла,

 

 

12 — отработанные

газы;

б — то

 

 

же, из расплава [23]; в — покрытие

 

 

волокна Si02 алюминием [36]:

1 —

 

 

алюминий,

2 — механизм

подачи

 

 

кварцевого

прутка

в

пламя

кислородно-угольной горелки, 3

кварцевое волокно,

4 — устройство

для

нанесения покрытия, 5 — отводная труба от печи с регулируемой

температурой, 5 — наматывающий барабан; г — горизонтальная

установка для покры­

тия волокон

металлом

[33]: 1 — намоточный ролик, 2 — укладочное устройство, 3 —

экстензометр,

4 — сопло,

5 — отверстие тигля, 6 — расплав,

7 — нндукционно

обо­

греваемый тигель

 

 

 

 

 

 

шить усадку и охрупчивание перед выщелачиванием, волокна

по-

крывают кислотостойким водонепроницаемым слоем (фенолформаль­ дегидная смола), который не препятствует прохождению кислоты. Файберфракс (кремнекислый алюминий), каовул, кионит — смеси глинозема и кремнезема.

В СССР [24] разработан (ИМП АН УССР) метод получения воло­ кон муллита (3Al20 3-3Si02) из стеклообразных расплавов, содержа­ щих А1о03и SіО-2 ,при медленном охлаждении и длительной выдержке при низких температурах (чтобы не было трещин). Диаметр кристаллических волокон 0,3—1 мкм, длина 0,25—1 мм. Для раство­ рения стеклофазы, расположенной между кристаллами муллита, использовали HF. Температура плавления волокон 1900° С, прочность

170 кПммг.

49

 

Г. Борные и углеродные волокна

 

 

 

 

 

 

Эти два вида волокон в настоящее время считаются наиболее

 

перспективными

для

создания армированных материалов из-за:

 

1) низкого удельного веса (углеграфитовые или углеродные во­

 

локна 1,43—1,83; волокна бора 2,7);

 

 

 

 

 

 

2) высокой прочности, достигающей 350 кГ/мм2;

для

^волокон

 

3) высокого

модуля упругости (40 000 кГ/мм2

 

бора и 25 000 — 40 000 кГІмм2 для углеродных волокон).

 

 

В известной степени волокна бора и углеграфитовые волокна

 

конкурируют между собой, хотя многие специалисты

считают, что

 

производство будет идти параллельно, так как каждый вид имеет

 

свои преимущества и недостатки. Коммерческие цены промышлен­

 

ных

волокон

бора

(290—500 долл./фунт) и графита

(250—

 

500 долл./фунт) приблизительно равны, но прогнозы указывают на

 

более интенсивный темп снижения стоимости графитовых волокон,

 

которые, как предполагают, к 1980 г.

будут стоить 70 долл./фунт,

 

что

приблизительно

в 2 раза ниже прогнозируемой стоимости

 

борных волокон. На реальность этих прогнозов указывает расту­

 

щий интерес к углеродным волокнам.

 

 

 

 

 

 

В 1970 г. Англия произвела 45 т углеграфитовых волокон (зна­

 

чительная часть

которых

была продана в США),

а США-только

 

7 т.

Но в то время

как в Англии некоторые фирмы затормозили

 

рост производства углеродных волокон, ссылаясь на сравнитель­

 

ную

ограниченность

их

применения

и дороговизну

(«Imperial

 

Chemical

Industry»),

американские фирмы (Hercules

Inc

Celanse

 

Corp Union Wittaker-Morgan Inc) резко его увеличили: в 1971 г.

 

планировалось произвести 45 т волокон, а в 1975 г.— 140 т, что

 

фактически привело к смещению центра мирового рынка углеграфи­

 

товых волокон в США [38—42].

 

 

 

 

 

 

Физические и химические свойства тонких углеродных волокон

'

привлекают все возрастающее внимание исследователей и инже-

неров различных специальностей. Если до недавнего времени

I

углеродные волокна и ткани на их основе применялись главным

!

образом для изготовления абляционных и теплоизоляционных

I

материалов, то получение тонких углеродных волокон, сочетающих

:

в себе высокую прочность на разрыв (до 4,2 X ІО4 кГІсм2)

и доста-

;

точно большую жесткость (модуль Юнга до 7 X 10е кГ/см2), послу-

I

жило мощным толчком для использования их в изготовлении ком-

позиционных материалов.

 

 

 

 

 

 

I

Широко применяющиеся в технике стеклянные волокна так же

I

прочны,

как и углеродные, но характеризуются

приблизительно

I

в 6 раз меньшей жесткостью и более низкой термостойкостью. Воль-

1 фрамовая проволока обладает такой же прочностью и жесткостью, [ как и углеродные волокна, но ее плотность в 10 раз больше. Арми-

I рование

углеродными волокнами пластмасс

и

металлов позволило

I создать

одновременно достаточно легкие и

прочные композицион-

I ные материалы [43—47], которые, кроме того,

по жесткости пре-

50

Смотрите также файлы