Лекция 04 (Лекции 1-16, без 15й)

Лекция N4

Нити с углеродными волокнами (УВ).

Свойства углеродных волокон определяются видом исходного сырья, условиями получения, дополнительной термообработкой. Исходными материалами служат: полиакрилнитридные волокна и гидратцеллюлозные волокна. Более совершенная структура получается у волокон полученных из ПАН-В. Прочность УВ ограничивается дефектами: пустотами, пузырьками, трещинами. Высокие «сигма» и Е обеспечиваются устранением дефектов с диаметром более 0,05 мкм. Широкое применение УВ в различных областях промышленности, спорта, быта стало возможным благодаря выдающимся свойствам УВ (высокие σ, Е, малый удельный вес) , резкому снижению стоимости благодаря использованию пеков. Пёки - это отходы коксохимического производства.

Третья группа КМ.

При армировании алюминиевых сплавов стальной проволокой сопротивление усталостного разрушения повышается в 3 раза. Чтобы получить эффективные КМ такого рода необходимо иметь стальную проволоку с пределом прочности равным 350-400 кгс/мм2, сохраняющимся после длительных нагревов (100 часов при 400-500 градусов Цельсия). При изготовлении композиций алюминий - нержавеющая сталь температура не должна превышать 550 градусов Цельсия, иначе происходит избыточное взаимодействие компонентов. Обычно матрица упрочняется стальной проволокой диаметром 0.1-0.3 мм. КМ такого рода изготавливают сваркой взрывом, вакуумной прокаткой и диффузионным спеканием. Основным условием получения надежного получения слоев матричного материала со стальной проволокой в процессе изготовления КМ твердофазными методами (без расплавления) и для сокращения продолжительности сварки является разрушение окисных пленок и обновление поверхности свариваемых материалов. Перспективно создание комбинированных структур с различными упрочнителями и матрицами. Например, введение 50% борных волокон в алюминий дает резкое увеличение прочности, а модуль упругости (Е) возрастает в 3,5 раза. Следует отметить, что предел усталости КМ( скажем, боралюминия), в 5 раз выше, чем у алюминиевых сплавов. В авиационной технике из боропластиков и углепластиков из КМ на металлической матрице изготавливают средненагруженные элементы и агрегаты узлов самолета: поверхности управления, щитки, створки, обтекатели – элероны, закрылки, рули. Например, применение КМ в конструкции самолетов может обеспечить снижение взлетного веса при сохранении летных характеристик на 17%, увеличение дальности полета на 15%. Применяются КМ для изготовления лопастей для винтов.

Четвертая группа.

Широкое применение для армирования КМ находят стеклянные и органические волокна. Химический состав стеклянных волокон и состояние их поверхности оказывают большое влияние на адгезию к ним полимеров. Стекловолокна имеют сравнительно низкий модуль упругости. Органические волокна превосходят стекловолокна по удельной прочности и модулю упругости, хорошо пропитываются связующими. Но у стекловолокон выше класс термостойкости и характерна дешевизна. Сверхпрочными органическими волокнами армируют шины, в результате чего достигается большая устойчивость при высоких скоростях движения, а прочность суперкорда в 5 раз выше стального, и резко возрастает долговечность шин. Органические волокна широко используются при изготовлении канатов, рукавов, тросов, электротехнических кабелей для прибрежного и глубоководного бурения. Есть такое понятие – свободная длина. Это длина, при которой висящий вертикально канат или кабель разрушается под действием собственного веса. Свободная длина кабеля из сверхпрочного органического волокна в 25 раз превышает свободную длину стального кабеля в морской воде. В волокнистых КМ основную нагрузку несут армирующие волокна, а более пластичная матрица передает им напряжения. Изменяя объемное содержание армирующих элементов и связующих можно получать материалы с требуемым уровнем прочности, жесткости, радиопрозрачности, радиопоглощения, теплозащиты, улучшенными магнитными, диэлектрическими и другими свойствами. Из органоволокнитов, обладающих хорошими диэлектрическими свойствами, изготавливают радиопрозрачные обтекатели антенны, корпуса и детали приборов радиоэлектронной промышленности.

Жаропрочные КМ.

Рассмотрим жаропрочные конструкционные сплавы и огнеупоры (теплоизоляционные материалы, обладающие при этом определенными механическими и электрическими свойствами).

Одна из проблем современного машиностроения – это повышение жаропрочности материалов. Литейные сплавы повышенной жаропрочности создают с помощью направленной кристаллизации, а также упрочняя никелевые и кобальтовые сплавы волокнами тугоплавких соединений – оксидов, карбидов, нитридов. В процессе направленной кристаллизации формируется почти идеальная структура либо из матрицы и прочного химического соединения, тормозящего развитие трещин, либо из матрицы армированной нитевидными кристаллами карбидов. Эти нитевидные кристаллы-усы диаметром 2-3 мкм имеют прочность до 1200 кгс/мм². Они не вносятся извне, а образуются в процессе направленной кристаллизации сплава, создавая высокопрочный материал, превосходящий известные жаропрочные сплавы. Литейные сплавы с направленной кристаллизацией позволяют повысить температуру газа в турбинах на 200 градусов Цельсия, что существенно увеличивает тягу газотурбинных двигателей нового поколения. Развитие энергетики требуют создания материалов, способных работать при температурах выше 1800 градусов Цельсия в условиях окислительной среды. В этой связи, внимание обращено к керамике, а именно к материалам из тугоплавких соединений, устойчивых к воздействию окислительных сред при температурах до 2000 градусов.

Таблица 1.

MgO имеет существенный недостаток: большая летучесть, большой коэффициент температурного расширения. ZrO₂ главный недостаток: температура полиморфного превращения 1200 градусов Цельсия. Чтобы избежать этого недостатка, можно добавить порядка 10% СаО. Второй недостаток: радиоактивность, дороговизна.

ZrO₂ обладает полиморфизмом, моноклинная модификация, устойчивая при низких температурах при нагреве до температуры примерно 1200 градусов переходит в тетрагональную форму, устойчивую лишь при высоких температурах. Этот переход сопровождается объемным сжатием на 7,7%. При охлаждении ниже 1000 градусов происходит обратный переход в моноклинную модификацию, т. е. увеличивается объем и РРРолдывоаыдвжфвофвлоафвыдснижается плотность. Поиск новых составов керамики не приводил к значительному улучшению свойств, поэтому разработка новых огнеупорных керамических материалов должно проводиться по пути конструирования структуры материалов. В 70-80-е годы разработана технология получения таких материалов из микросфер тугоплавких окислов. Например, изготовлен материал на основе стабилизированного ZrO₂. В качестве стабилизирующей добавки использовали CaO или Y₂O₃ в количествах около 6% и 10-15% соответственно. Получение микросфер из тугоплавких оксидов осуществлялось в ВЧ разряде (ВЧ плазмотрон). Структура крупных микросфер – поликристаллическая, а мелких микросфер (диаметром меньше 50 мкм) – монокристаллическая. Структура из дробленых частиц (полученная по обычной керамической технологии) имеет ряд существенных недостатков: низкая прочность, плохо контролируемая пористость, низкая термостойкость.

Таблица 2.

Комментарии к таблице. Объемные соотношения содержания крупных и мелких микросфер определяет такие параметры материала как пористость, упругие характеристики, прочность. Пористость, в зависимости от объемного соотношения фракций, изменяется в пределах от 12,5% до 38%. Огнеупоры бифракционного состава более термостойкие, по сравнению с огнеупорами монофракционного состава. Последние 30-40 лет наряду с традиционными огнеупорами применяют легковесные огнеупоры. При их изготовления применяют пенообразователи для создания множества закрытых пор. Такие материалы представляют собой КМ с ячеистой структурой. Теплоизоляционные свойства таких КМ резко увеличиваются, а значительное снижение массы огнеупоров обусловливает уменьшение теплоемкости. Применение таких огнеупорных КМ для теплоизоляции печей и другого оборудования в несколько раз улучшают массогабаритные характеристики. Т. к. механическая прочность этих огнеупорных КМ невелика, не применяется в конструкции небольших печей и других подобных вещей или в качестве внешнего слоя изоляции последнее условие обеспечивается внутренним слоем (слоями) многослойной (двухслойной) теплоизоляции. Следующим шагом повышения огнеупорности явилось создание 20-30 лет назад огнеупорных КМ с волокнистой структурой. Основой таких материалов являются волокна из Al₂O₃ или из муллита (3Al₂O₃*2SiO₂). Компактируя волокна, изготавливают огнеупорные изделия в виде плит, матов и т. п. Огнеупорные КМ с волокнистой структурой обладают примерно такими же теплоизоляционными свойствами и массогабаритными характеристиками как и огнеупорные КМ с ячеистой структурой, но их механическая прочность выше. Благодаря этому, слой теплоизоляции будет тоньше и массогабаритные характеристики печей и другого оборудования будут еще лучше, чем при огнеупорных КМ с ячеистой структурой.