materialovedenie2 (Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Колосанов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева, Н.В. Ульянова - Материаловедение), страница 17

Для металлических композиционных материалов прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1 — 2 мкм! интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его обеспечения, но прослойки образующейся при зтом фазы должны быть очень тонкими (рис, 13.25). Связь между компонентами в композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии (см. с. 2б1).

Плохой аде езией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, ке- рамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон, называемой вискеризацией. Вискеризация-зто выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. Полученные тахим образом «мохнатые» волокна бора впзывают «боровко.

Вискеризация способствует повышению сдвиговых характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна. Так, увеличение объемного содержания нитевидных кристаллов до 4 — 8% повышает сдвиговую прочность в 1,5 — 2 раза, модуль упругости и прочность при сжатии на 40-50%.

На поверхности соединения компонентов не должно происходить химических реакций, приводящих к повреждению волокон, ухудшению их свойств и свойств композиционного материала При сильном взаимодействии компонентов временное сопротивление воло. кон и композиционного материала в полом значительно снижается. Например:, временное сопротивление волокон карбида кремния в композиционном материале с титановой матрицей в результате такого взаимодействия снизилось с 320 до 210 МПа, что вызвало снижение временного сопротивления композиционного материала на 30'еш Для уменыпения взаимодействия примешпот Ауатеспачы с еысспсй )чхьс пой прсчпостью 257 легирование как матриц. так и волокон, защитные покрытия волокон, низкотемпературные и высокоскоростные способы изготовления композиционных материалов.

Кроме того, прочность сцепления между компонентами зависит от нх механической совместимости, на которую влияет разница в пластических свойствах, в коэффициентах Пуассона и линейного расширения, модулей упругости. Механическая несовместимость приводит к возникновению остаточных напряжений на границе раздела компонентов, которые при достижении определенной величинь! вызывают нарушение связи между компонентами. Виды и свойства упрочмптедей.

Физические и механические свойства волокон и нитевидных кристаллов представлены в табл. 13.5. ТАБЛИЦА 13.5. Сппйсгпп вплпкпа в кптепвдпых мпаекрпсгпллов ТсмппрпчуПп ппаппсппп ппп рпзмпь.чсппп, *С Средний дппьптп волокна, мкм сп((лк), р, Вм~ Мптсрппп пп, МПп Волокна 1,6-2 2,63 3650 2300 1687-3374 2707-4060 2707 †40 2236-3893 1!0-210 110- 160 216 †6 373 402 5,8 — 7,6 102- 142 100- 160 373-412 67- 120 492-471 2300 2,77 3,35 — 3, 46 2200 102 2040 2030 3,!4 169 2,5 1,85 19,3 7.8 89,3 295 420 200 4482 686 — 98! 1657-3207 3800 183 38- 54 9 — !7 48 1284 3410 !25 — 15 00 51 — 1270 150 Ннчевилные монокрнсталлы Сапфир, А1тОч 2040 ' Карбид кремния 1 2690 и 3,96 ) 4021 — 236341 110 — 620 1 402 — 1010( 0,51 — 11 3,22 113533 — 40600~ 440 — 1320~ 441 — 1010~ 0,51 — !1 ' Температура рпплппсппп.

9 Под рсд. Б. Н. Лсдпмпсспп Углерод ида графит Бор на вольфрамовой проволоке Барсак пв вольфрамовой проволоке Карбид кремния па вольфрамовой прополке Опспд алюмппня АБО, Стекло Бериллий Вольфрам Сталь ВНС9 (18Х15Н5АМЗ) Из металлических упрочнителей широко применяют стальную проволоку, которая является наиболее дешевым и технологичным упрочнителем. В настоящее время в основном используют проволоку из коррозиоино-стойких сталей аустенитного, аустенитно-мартен- ситного и мартепситного классов. Большая степень пластической деформации при получении проволоки обусловливает большую плотность структурных дефектов и высокие прочностные характеристики.Например, проволока из стали ВНС9 (18Х15Н5АМЗ) диаметром 0,16-0,3 мм имеет Ып = =3500дь4000 МПа.

Высокая температура рекрисгаллизации обеспечивает стальной проволоке хорошую прочность, при высокой температуре особенно из сталей аустенитного класса. При изготовлении композиционных ма- 258 Миенерии~лн нрименнемме в мишино- и нрибороеттюеншс Ряс. 13.26. Структура оо. верхвоств барного во- локна терналов с алюминиевой матрнцей, армированной стальной проволокой, температура не должна превышать 550'С во избежание активного взаимодействия между компонентамн. Композиционные материалы изготовляют сваркой взрывом, прокаткой в вакууме, диффузионным спекаиием.

Для надежного сцепления компонентов при использовании твердофазных методов необходимо обновление контакзных поверхностей, разрушение оксндных пленок. Более высокой жаропрочностью обладает проволока нз тугоплавких металлов (Мо, %, Та). Высокие прочностные свойства такой проволоки сохраняются до 1200-1500'С, и поэтому ее применяют для армиравания жаропрочных матриц. Это увеличивает рабочие температуры и срок службы жарапрочных сплавов. Недостатком наполнителя из тугаплавких металлов является нх высокая плотность.

Малой плотностью и балыпой удельной прочностью обладает проволока из бернллия. Механические свойства проволоки сильно зависят от качества ее поверхности. Бериллиевую проволоку получают выдавлнваниеле из литой или порошковой заготовки, заключенной в оболочку. Лучшим материалом оболочки является никель.

После волочения оболочку с проволоки удаляют н для улучшения поверхности проволоку подвергают злектрохимическому полированию. При волочении проволоки, предназначенной для получения композиционных материалов, в качестве оболочки используют материал матрицы, и в этом случае отпадают операции тра- вления и полированию Ценным свойством сильнадеформированной бериллиевой проволоки является высокая температура рекристаллнзации (700'С). Бериллиовую проволоку целесообразно применять для армиравания матриц, обладающих малой плотностью, т.

е. на алюминиевой, магниевой или титановой основах. Для армировання металлических и полимерных матриц широко используют барные волокна. Они характеризуются высокой прочностью, твердостью, малой склонностью к разрушению при повышении температуры Барные волокна получают разложением хлорида и бромнда бора в среде водорола 2ВС1з+ЗН, 2В+бНО с последующим осаждением бора из газовой среды на горячей вольфрамовой нити 0(ж12 мкм). В результате взаимодействия бора с вольфрамом сердцевина барных 'волокон состоит из боридов во. льфрама различного состава: рв'В, 1й',Вм ЮВм Прн продолжительном нагреве сохраняется в основном Ъ'В4.

Волокна бора имеют ромбическую кристаллическую решетку. Полученные таким способом волокна бора имеют е(= 70 —:200 мкм. Прочность сердцевины значительно ниже прочности волокна в целом. В сердцевине возникают напряжения сжатия, а в прилегающих участках бора-напряжения растяжения. Это приводит к появлению остаточных напряжений и возникновению радиальных трещин. При небольшой плотности волокна бора обладают высокой прочностью н жесткостью. Высокая прочность Матеров.зы с высокой удельной прочностью 259 борных волокон объясняется их мелко- кристаллической структурой. Большое влияние на прочность оказывает я структура их поверхности.

Поверхность имеет ячеистое строение, напоминающее по внешнему виду початок кукурузы (рис. 13.26). Наличие крупных зерен на поверхности, а также включений, трешись пустот снижает прочность борных волокон. При температуре выше 400'С борные волокна окисляются, а при температуре выше 500'С вступают в химическое взаимодействие с алюминиевой матрицей. Для повышения жаростойкости и предохранения от взаимодействия с матрицей на борные волокна наносят покрытия из карбида кремния, карбида и нитрила бора толшиной 3 — 5 мкм. В настоящее время наряду с чисто борными волокнами выпускают волокна бора, оплетенные стекловолокном. Такие комбинированные волокна обладают более высокой устойчивостью. Освовной недостаток борных волокон †высок стоимость, которую можно снизить путем увеличения диаметра, а также заменой вольфрамовой основы иа углеродную.