Никоноров П. (сост.) Материалы в Приборостроении и автоматике (1021457), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Волокна вытянутые в длинные и тонкие нити; цепи макромолекул волокнообразующего полимера получают преимущественную ориентацию в направлении продольной оси; в этом же направлении ориентируются трещины и другие дефекты, которых в ограниченном сечении очень мало. И поэтому прочность волокна во много раз выше прочности ис­ходного изотропного (неориентированного) материала, например проч­ность на растяжение стеклянного волокна в 100 раз выше прочности массивного стекла. Это свойство волокон используют в производстве композиционных материалов на основе смол, эластиков и неорганичес­ких (керамических и металлических) основах - матрицах, где они используются как каркасирующие усилители.

Волокна по составу делят на органические и неорганические, по длине - на короткие (длиной до десятков миллиметров) и длин­ные (длиной до I...2 м) и непрерывные (длина определяется емкостью материала). За единицу линейной плотности (толщины) воло­кон и нитей принят "текс" (Т) - число граммов массы в I км длины. Обычно толщина волокна составляет 0,1...0,3 текса (20...30 мкм), для толстых непрерывных мононитей < 100...200 тексов (до 300... 500 мкм).

Органические волокна разделяют на природ­ные, искусственные и синтетические. В производстве используют хлопковые, льняные, шерстяные, шелковые, вискозные, ацетатные, полиамидные (капроновые, амидные, этанатные), полиэфирные (лавса­новые), полиакрилнитрильные (нитронные), пропиленовые, политетра-фторэтиленовые волокна, имеющие следующие свойства: плотность (объемная) - 900...2300 кг/м³, влагосодержание - О...14%, темпе­ратура потери прочности 9О...ЗЗО°С, разрывная длина (наибольшая длина свободно подвешенной за один конец нити, при которой она еще не разрывается под действием собственного веса) - 5...67 км, модуль упругости - 1,2...19,5 ГПа, относительное удлинение упру­гого деформирования 1,5...8% и разрыва 2...26%; нестойкость к дей­ствию света, кислот, щелочей, фенола, крезола, ароматических и хлорированных углеводородов у каждого волокна различна.

Природные органические целлюлозные волокна растительного происхождения хлопок и лен находят наибольшее применение в произ­водстве технических изделии (тканей, лент, ремней, крученых изде­лий) и усилителей пластмасс, резин и др. Лен, как наиболее проч­ное, жесткое и дорогое волокно, применяют для изготовления ремней, крученых изделий (грубых тканей, парусин). Хлопок является универ­сальным волокном используемым для изготовления большого количест­ва различных изделий. Природные волокна животного происхождения шерсть и шелк; первый применяют для изготовления войлока, тканей и др., второй применяют для изготовления изоляционных оплеток про­водов и других целей.

Искусственные волокна (обычно получают из органических при­родных высокомолекулярных соединений - целлюлозы, вырабатываемой из древесины, отходов хлопкового производства, белков раститель­ного и животного происхождения - казеина, зеина и др.), вискозное и ацетатное преимущественно используют для изготовления электро­изоляционных материалов, декоративных целей и т.п.

Синтетические волокна (это волокна изготовляемые из синтети­ческих полимеров: полиамидов, поливинилхлорида, поливинилового спирта и др.) получили наибольшее применение для изготовления вы­сокопрочных текстильных материалов, крученых изделий, фильтров, изделий наивысшей химической стойкости. По прочностным и тепловым свойствам эти волокна конкурируют с неорганическими волокнами.

Неорганические волокна неметаллической природы выгодно отличаются от органических высокой прочностью, невоспламеняемостью, нагревостойкостью, меньшей гигроскопичностью при плотности примерно в 2 раза большей. По сравнению с металли­ческими волокнами (проволокой) они обладают более высокими удель­ными механическими свойствами, отнесенными к объемной массе, не­чувствительны к коррозии. В конструкциях применяют следующие виды неорганических волокон: асбестовые, стеклянные, кварцевые, каоли­новые, борные, углеродные.

Асбестовые волокна получают из природных минералов хризотел-асбест, голубой асбест, антофиллит и амозит, волокно представляет собой нитевидные монокристаллы диаметром до нескольких микрометров, иногда трубчатые и до 80% волокон имеют длину менее 5,5 мм. До 95% мировой добычи составляет хризотиловый асбест, из него с при­месью хлопка (менее 20%) получают грубую пряжу ткани, ленты; в порошковых асбопластиках, асбоцементах и паронитах на каучуковой основе асбест используют в качестве наполнителя. Хризотил - асбест устойчив в щелочных средах; амфибаловые асбесты обладают кислотостойкостью и содержат, кроме окислов кремния и магния, окислы же­леза и иногда натрия. Асбест обладает хорошими теплоизоляционными и фрикционными свойствами; текстильные материалы из асбеста приме­няют для электроизоляции и защиты от огня.

Стеклянное волокно изготовляют при непрерывном способе произ­водства диаметром 3...9 (реже до 20) мкм и длиной 50...500 мм -штапельное волокно диаметром: менее 0,5 мкм (микроволокно), 0,5... I мкм (ультратонкое), I...4 мкм (супертонкое), 3...II мкм (тонкое), II...20 мкм (утолщенное) и более 20 мкм (грубое). Штапельные во­локна засорены мельчайшими сферическими остатками капель стекла (корольками) не полностью вытянутых в волокна. Короткие (штапель­ные) стекловолокна применяют для теплозвукоизоляционных материалов. Непрерывные стекловолокна непосредственно или после переработки в ткани применяют как армирующие элементы в стеклопластиках и для целей электроизоляции, в световодах.

Высоконагревостойкие стеклянные, а также кварцевые, кремне­земные и каолиновые волокна теряют прочность после нагрева и ох­лаждения лишь при 1100°С (асбестовое волокно разрушается при 500...600°С).

Кварцевое волокно выпускают в виде волокнистого штапеля или непрерывных нитей (температура размягчения 1670°С). Штапельное кварцевое волокно используют для изготовления фильтров, бумаги, картона, ваты; из непрерывных волокон получают нити, ленты, ткани, армированные композиционные материалы. Предел прочности непрерыв­ного кварцевого волокна при растяжении 2...3 ГПа, модуль упругос­ти 73ГПа.

Каолиновое (керамическое, файбрфрекс) волокно (50%Al₂O₃ + 50% Si0₂) диаметром 3...I0 мкм применяют для изготовления вой­лока, бумаги, картона электро- и теплоизоляционного назначения, фильтров и других изделий.

Борные волокна получают путем осаждения из газовой фазы бора на нагретую до 1000°С вольфрамовую нить диаметром 12 мкм. В ре­зультате диффузии бора в середине готового волокна образуются бориды вольфрама WB₄ и W₂B₅ и диаметр волокна увеличивает­ся до 16 мкм, общий диаметр может достигать 100...140 мкм. Такое волокно используют в качестве армирующего усилителя боропластиков, что сообщает боропластикам большую прочность при сжатии, чем тон­кие стеклянные волокна диаметром 512 мкм в стеклопластиках и угле­пластиках. В поперечном сечении борного волокна видны радиальные трещины, идущие от сердцевины и сужающиеся к поверхностному слою. Трещины, возникающие вследствие внутренних напряжений при изготов­лении волокна, снижают его прочность. При использовании борного волокна в качестве армирующее-усиливающего элемента в металличес­ких, в частности алюминиевых матриц, его поверхность покрывают слоем карбида кремния SiС. Такое покрытие повышает сопротив­ление окислению и ухудшению свойств волокон при повышенных темпе­ратурах.

Углеродные волокна (иногда называемые карболокна) получают пиролизом (высокотемпературной обработкой в инертной среде) глав­ным образом непрерывных органических волокон, а также из смол, нефтяных и каменноугольных пеков, пигнина и других углеросодержащих веществ. Наибольшее распространение получили карбоволокна из подиакрилнитрильного (ПАН) волокна и из вискозного гидратцеддюлозного (ГЦ) корда. Углеродные ПАН волокна производят двух типов: высокопрочные карбонизированные и высокомодульные графитированные. Основные свойства ПАН - и ГЦ - углеродных волокон: плотность ρ =

1700...2000 кг/м³, температура потери прочности в нейтральной и восстановительных средах 450...2200°С, предел прочности σ_В= 2,27...3,5 ГПа, удельная прочность σ_В: ρ =1,33...2,06, модуль упругости Е - 250...703 ГПа, удельный модуль- Е: ρ= 141...247 мнм/кг, относительное удлинение при разрыве δ = 0,42...1,2, влагосодержание - 1%, нестойкость к действию воз­духа при температуре более 400°С и 50% растворов кислот и щелочей. Поверхностная энергия карбоволокон очень низка и поэтому они пло­хо смачиваются смолой - связующим, а получаемые из них карбопластики обладают невысокой прочностью из-за плохого сцепления воло­кна со связующим. Различными методами увеличивают поверхностную энергию (травлением, выращивание на поверхности волокна монокрис­таллов карбида кремния, удаление с поверхности волокна замасливателя с нанесением апперта). Углеродные волокна, обладая наивысшими значениями механических характеристик, легко перерабатываются и в приборные изделия различных бортовых и стационарных устройств. Нитевидные кристаллы. Прочность нитевидных кристаллов (усов)приближается к теоретической прочности - величине сил атомного сцепления, прочность нитевидных кристаллов в 5...10 раз превосхо­дит прочность наиболее прочных волокон бора и углерода - b 5...10 раз. Прочность таких кристаллов зависит от их толщины и чем мень­ше их поперечный размер, тем выше прочность, например у усов из Al₂O₃, при изменении диаметра от I до 25 мкм предел прочности изменяется от 7 до 1,6ГПа. Отношение длины усов к диаметру нахо­дится в пределах 1000-1500, т.е. длина равна I...500 мм, однако чаще I...10 мм.

Высокая прочность усов объясняется такой малой площадью их поперечного сечения, при которой невозможно существование дефектов кристаллической решетки - дислокаций, способствующих скольжению плоскостей атомов друг относительно друга.

Волокнистые монокристаллы всех материалов при повышенных температурах по сравнению с обычными поликристаллическими волокна­ми меньше теряют в прочности. Свойства нитевидных кристаллов: а) неметаллических волокон - плотность ρ = 1660...3940 кг/м³, предел прочности σ_в = 3,65...28,1 ГПа, удельная прочность σ_в : ρ = 1,46...12,2, модуль упругости Е = 162...717 ГПа, удельный модуль упругости E: ρ = 6,48...43,2 мнм/кг, температура стабиль­ного состояния 600...3700°С; б) металлических волокон – плотность ρ = 7200...8950 кг/м³, предел прочности &_в = 3,9...13,3 Ша, удельная прочность σ_В : ρ = 0,43...1,69, модуль упругости Е = 203...217 Ша, удельный модуль упругости Е:ρ = 2,42...3,41, температура стабильного состояния 1455...1890°С. Из этих данных следует, что удельная прочность и удельная жесткость металличес­ких усов значительно уступает этим свойствам неметаллических.

Прочность недавно полученных паутино-образных нитевидных кристаллов имеющих более совершенную структуру может теоретически соответствовать ядерным силам и достигать 350 ГПа.

Нитевидные кристаллы находят применение

- в виде добавки (менее 5%) для размельчения и соединения зерен
в металлах и керамике, инициирования процессов полимеризации и ускорения действия катализаторов в полимерах, для дополнитель­ного упрочнения стеклянных, угольных и борных волокон;

• в виде добавки (5...50%) для упрочнения неориентированным напол­нителем литьевых и прессовочных композиций, требующих трехмерной прочности;

• в виде частично ориентированного наполнителя (50...70%) для придания двумерной прочности слоистым пластикам;

• в ориентированных пряже и ленте (70...90%) пропитанных связующими веществами;

• в сверхпрочных конструкционных материалах (90...95$) низкой плотности.

2.6. Композиционные материалы. Композиционный материал - конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его эле­менты в виде нитей, волокон или хлопьев из более прочного матери­ала. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаро­прочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также маг­нитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специаль­ными свойствами. Выбирая компоненты композиционного материала, их концентрацию, размеры, форму, ориентацию, прочность соединения друг с другом, можно регулировать физико-механические свойства в широких пределах. Кроме того применение композиционных материалов позволяет резко снизить массу изделий, повысить их эксплуатацион­ные показатели.

В композиционном материале армированном частицами упрочняю­щей фазы размером 10...100 мм занимающей I...I5% объема внешние нагрузки воспринимает основная часть материала (99...85%) - мат­рица, мелкодисперсные частицы выполняют роль эффективного препят­ствия - тормоза в перемещении дислокаций в объеме материала. Мелкодисперсные упрочненные частицы получают методами порошковой металлургии.

В волокнистых композиционных материалах объемная доля волокон колеблется в пределах от нескольких процентов до 90%, диаметр во­локон - от долей до сотен микрометров, а увеличение отношения длины волокна к диаметру повышает прочность композиционного мате­риала. Волокна в материале располагаются параллельно или под раз­личными углами друг к другу. Свойства таких материалов анизотропны.

Композиционные материалы классифицируют по ряду признаков: по материалу компонентов, типу и ориентации арматуры, способу по­лучения композиции, по назначению. По материалу матрицы компози­ционные материалы делят на три группы: металлические, полимерные и керамические. Полимерные конструкционные материалы называют по материалу формирующих волокон - стеклопластики, металлопластики, органопластики и т.п. Для металлических и керамических конструкци­онных материалов обычно сначала указывают материал матрицы, затем армирующего волокна. Например, композиционный материал медь-воль­фрам, т.е. медная матрица армирована вольфрамовым волокном. По ориентации арматуры и ее типу конструкционные материалы делят на анизотропные и изотропные. Изотропные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях, а армирующий материал хаотично рас­положен. У анизотропных материалов свойства различны в зависимос­ти от направления, армирующие материалы расположены в двух направ­лениях - слоями, или в трех направлениях - трехмерноармированные. По назначению композиционные материалы разделяют на общеконструк­ционные, жаропрочные, термостойкие, фрикционные и антифрикционные, теплозащитные и со специальными свойствами (электри­ческими, магнитными, оптическими и др.).

Матрица и упрочняющие ее волокна должны удовлетворять опре­деленным требованиям:

• матрица должна воспринимать внешние нагрузки, передавать нагруз­ку на волокна и защищать волокна от повреждений;

• волокна должны иметь высокую температуру плавления, высокую прочность, воспринимать и передавать вдоль своей оси нагрузку и кроме того не должны в процессе эксплуатации иметь фазовых прев­ращений, быть нетоксичными и иметь высокую химическую стойкость.

2.6.1. Металлические композиционные материалы (МКХ это мате­риалы с металлической матрицей и металлической (отличной от мат­рицы) или неметаллической арматурой. Эти материалы получают за­ливкой арматуры расплавом матричного металла или деформацией мат­ричного и армирующего металлов путем штамповки, ковки, горячего прессования с последующим спеканием и др. Матричным металлом обыч­но являются используемые в производстве конструкционные металлы и сплавы: легкие сплавы на алюминиевой или магниевой или титановой основе, медь и ее сплавы, жаростойкие и жаропрочные сплавы, спла­вы на основе никеля, железа, кобальта, а также тугоплавкие метал­лы и сплавы. Наиболее широко применяют хорошо деформируемые алюми­ниевые сплавы, легированные магнием и марганцем, обладающие корро­зионной устойчивостью, но малой прочностью. Металлические конст­рукционные материалы на основе меди имеют антикоррозионные свой­ства и высокую электропроводность. В качестве жаропрочных матери­алов применяют матричные основы типа спеченного алюминиевого по­рошка (САП), имеющих прочность при 500°С (8...12).1⁵Па. Относи­тельно высокую прочность (до 15.10⁶ Па) при малой плотности (4,5 г/см³), имеют МКМ на основе матрицы из титана и его сплавов. Высокими характеристиками жаропрочности и окалиностойкости обла­дают МКМ с железной, никелевой и кобальтовой матричной основой. Так МКМ на никель-хромовой (нихром) основе сохраняют длительную работоспособность при высокой температуре(800...900°С), лучшие характеристики длительной прочности имеют сплавы, легированные Ti,Al,W, Nb, ЭИ437А, ЭИ607, некоторые сплавы (с боль­шим количеством легирующих элементов)имеют рабочую температуру 1I00...I300°C. Армирующие материалы, обеспечивающие получение за­данных физических свойств, используют в виде тонкой проволоки из стали, вольфрама, молибдена, титана и других металлов и сплавов. Композиционные материалы на основе титана с волокнистыми моно­кристаллами окиси алюминия или волокнами молибдена обеспечивают рабочую температуру до 800°С, модуль упругости до 200 ГПа, предел прочности до 600 МПа.

1. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) - это материалы, состоящие из полимерной матрицы и упрочняющего наполнителя (волокон или порошка). Смолы, каучук, полимерные материалы, полимеризующиеся растительные масла имеют невысокую до сравнению с металлами прочность и жесткость, поэтому для увеличения прочно­сти и жесткости нагружаемых деталей приборных устройств, взаимо­действующих с металлическими деталями, их усиливают каркасами из прочных волокон, нитей или тканей (волокнистые и тканевые напол­нители в пластмассах, кордные и тканевые наполнители в каучуковых изделиях. Из ПКМ изготовляют различные детали приборных, электро­технических изделий, волноводы, печатные схемы. Большинство промышленных ПКМ выпускают в виде полуфабрикатов (листов заготовок), из которых затем получают изделия.

2. Керамические композиционные материалы (КШ) - это материалы, состоящие из керамической матрицы и металлической или неметаллической арматуры - наполнителя. ККМ характеризуются высо­кими температурами плавления, прочностью на сжатие и стойкостью к окислению. Наличие металлической арматуры повышает прочность на растяжение, ударную вязкость, стойкость к вибрациям. Материалы с керамическими волокнами имеют повышенные жаростойкость и сопротив­ление окислению по сравнению с ККМ армированными металлическими волокнами. Особо высокоогнеупорными являются ККМ с матрицами на основе Al₂O₃, MgO, окисей хрома и циркония.

2.6.4. Дисперсионноупрочненные композиционные материалы. Дисперснонноупрочненные композиционные материалы (ДКМ) соче­тают в себе матрицу из чистого металла или сплава и равномерно распределенные в ней на заданном расстоянии одна от другой туго­плавкие тонкодисперсные частицы упрочняющей фазы размером менее О,1 мкм, искусственно введенные в материал на одной из технологи­ческих стадий. Дисперсионные включения в ДКМ составляют 0,1-15% объема. Упрочняющей фазой могут быть дисперсионные включения ок­сидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соедине­ний, а также интерметаллические соединения. Критерием выбора уп­рочняющих фаз является их термодинамическая стабильность по отно­шению к матричному металлу.

Характеристики

Список файлов книги