Разделы сайта

Читаемое

Обновления Nov-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 [ 38 ] 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

Таблица 3.7. Кристаллическая структура и некоторые свойства тугоплавких карбидов и диборидов

Материал

Тип и период кристаллической решетки, нм

Р, г/см

н-10-10,

£ 10-4, Па

ТКЛР 10

мкОм см

°с

ГЦК, а = 0,46976

6,46

2,560

3,880

6,73

3535

ГЦК, а = 0,4628

12,3

2,760

6,59

3890

IvfbC

ГЦК, а = 0,4471

7,78

2,400

3,450

6,65

3420

ГЦК, а = 0,4454

14,48

1,787

2,910

6,29

3780

Простая гекс, а = 0,3006, с= 1,4608

2700

Простая гекс, а = 0,29006, с = 0,2831

15,7

2,080

7,270

5.2 (а),

7.3 (с)

2600

ZrBj

Стр. тип AlBj, а = 0,3169, с = 0,3530

2,200

3,500

6,83

2990

HfBj

Стр. тип AlBj, й = 0,3111, с = 0,3470

10,5

2,900

15,8

3250

разность диаметров атомов близка к допустимому пределу или превышает его. Однако есть и исключения из этого правила. Анализ микроструктуры и диаграммы плавкости системы HfC-TaC дает основание для предположения о существовании в ней соединения TaC-4HfC. Этому составу соответствует максимум на диаграмме плавкости. Температура максимума превышает 4200 °С, что является рекордной температурой плавления из всех известных в настоящее время температур плавления синтезированных веществ.

Хрупкость карбидов и боридов создает определенные трудности для их использования. Однако карбиды и бориды перспективны в качестве жаростойких материалов.

Применение плазменного нагрева позволяет осуществить напрвленную кристаллизацию сплавов тугоплавких систем. Разработаны приемы, позволяющие регулировать длину, направление роста и кристаллографическую ориентацию растущих из расплава фаз. Характер формируемой структуры эвтектики при напрвленной кристаллизации определяется температурным градиентом и скоростью кристаллизации. Осуществлялась напрвленная кристаллизация эвтектических сплавов W-C и Nb-C. Со-

К одним из наиболее значимых достижений в материаловедении и технологии неметаллических материалов за последние годы следует отнести разработку процессов производства углеродных материалов, которые характеризуются химической инертностью, малой плотностью, хорошими электрофизическими свойствами, возможностью регулирования теплопроводности и электрического сопротивления в широких пределах.

Класс углеродных материалов достаточно обширен, и если в основе классификации лежит принцип, согласно которому в состав материала должен входить атом углерода, то кроме традиционных форм углерода -графита и алмаза - к нему можно отнести полимерные материалы и карбидные соединения. Однако в технике понятие углеродные материалы традиционно связано с материалами, обладающими графитоподоб-ной структурой - от кристаллической до полностью аморфной, в том числе углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ). Клас-

ржание углерода вьщерживали в пределах 1,48...2,80 % (масс), градиент температуры вдоль оси слитка изменялся от 50 до 800°С/см.

Вопросы напрвленной кристаллизации для сплавов вольфрама пока не получили достаточного развития. Общим для изучаемых систем является то, что эвтектическое затвердевание весьма чувствительно к величине градиента температуры, концентрационному переохлаждению, скорости кристаллизации. Продольная микроструктура доэвтектического сплава вольфрама [1,6 % (масс.) С] состоит из переплетающихся вольфрамовых и карбидных WC-волокон, вытянутых в направлении теплоот-вода. При приближении состава сплавов к эвтектическому наблюдается более четко выраженный направленный рост кристаллов W и WC. Для заэвтектических сплавов [2,5...2,8 % (масс.) С] получение направленной структуры затруднено. Интересно отметить образование спиралевидной эвтектики при малых скоростях вытягивания слитка.

Важно подчеркнуть, что при направленной кристаллизации эвтектики W-WjC происходит сопряжение кристаллических решеток кристаллизующихся фаз по плоскостям с малыми индексами - (100), (110). Для полученного при этом слитка характерно исключительно высокое сопротивление разрушению.

3.3. УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ



сификационными признаками углеродных материалов могут быть: состав исходных компонентов (коксо-пековые композиции, саженаполненные исковые или феноло-формалыгегидные композиции и т.д); технология получения (газофазная, жидкофазная, твердофазная); характеристика структуры (молекулярная, кристаллическая, пористая, а для УУКМ -схема армирования); функциональное назначение (конструкционные теплозащитные, антифрикционные и др.); области применения (самолето- и ракетостроение, металлургия и химическое машиностроение, ядерная энергетика и др.). Однако устоявшейся классификации углеродных материалов, в том числе УУКМ, не существует.

В настоящее время наиболее интенсивно развивается материаловедение, технология и области применения УУКМ. Несмотря на относительно высокую стоимость, УУКМ находят применение прежде всего в авиации и космонавтике [17], кроме этого в медицине, в узлах реакторов термоядерного синтеза, в автомобилестроении и при изготовлении спортивного инвентаря.

Специфика использования свойств УУКМ связана с рядом уникальных особенностей, присущих классу углеродных материалов. Присутствие волокнистого наполнителя в объеме УУКМ делает уровень их физико-механических свойств недостижимым для традиционных углеродных материалов. Варьирование пространственным расположением волокнистого наполнителя композита является эффективным инструментом в управлении анизотропией свойств УУКМ.

Развитие композиционных углеродных материалов связано с поиском новых связующих и армирующих наполнителей, разработкой уникального технологического оборудования, снижением длительности технологического цикла, затрат энергии, повышением качества получаемого материала и улучшением его характеристик.

Общий принцип получения УУКМ состоит в создании армирующего каркаса и формировании углеродной матрицы в его объеме.

Армирующие каркасы. Для армирования в УУКМ используют углеродные волокна (УВ), на основе которых формируют пространственные структуры, обеспечивающие направленную анизотропию свойств конечного материала. В достижение требуемых физико-механических свойств УУКМ свой вклад вносят не только характеристики УВ, но и тип пространственного армирования композита, изменение которого оказывает влияние на процесс заполнения каркаса углеродной матрицей, что, в свою очередь, отражается на свойствах материала в целом.

Широкий спектр существующих типов углеродных волокон позволя-

Таблица 3.8. Свойства углеродных волокон [18]

Тип волокна

d, мкм

р, кг/м

о, МПа (разрыв)

Е, ГПа

Высокомодульное

2000

2100

Высокопрочное

1800

2400...3200

240...290

С повышенным

6,9...7,4

1750

2300...2900

170...200

удлинением

т получать материалы с уникальным набором теплофизических, химических механических характеристик в сочетании с возможностью управления анизотропией перечисленных свойств. Каждый тип волокна обладает индивидуальными свойствами, влияющими на технологические параметры изготовления композита.

По уровню механических характеристик УВ подразделяются на низкомодульные волокна с модулем Юнга до 7 Ю МПа и высокомодульные с модулем (15-10...45 Ю) МПа. В работе [18] юлокна подразделяют на три основные группы: высокомодульные, высокопрочные и волокна с повышенным удлинением (табл. 3.8). Механические и физико-химические свойства УВ в большой степени зависят от типа исходного сырья и технологии их изготовления, включающей в себя три стадии: подготовку волокна, карбонизацию при температурах до 1500°С и высокотемпературную обработку (фафитацию) при температурах до 3000 °С.

Конечными температурами обработки и обусловлено разделение УВ на высокопрочные, с температурой обработки до 1500 °С, и высокомодульные, конечной стадией изготовления которых является фафитация. В настоящее время известны способы получения углеродного волокна на основе целлюлозы (ГТЦ-волокно), полиактрилонифильного волокна (ПАН-волокно), поливинилспиртового волокна (ПВС-волокно), песков (нефтяного и каменного), лигнина, а также фенольной смолы.

Хорошая смачиваемость УВ органическим связующим является необходимым условием для достижения адгезионной связи на фанице между матрицей и наполнителем в композитах, что оказывает большое влияние на их свойства.

Для улучшения взаимодействия УВ со связующим используют различные технологические методы воздействия на поверхность волокон, например плазмой и др., что оказывает значительное влияние на смачиваемость волокон связующим и качество пропитки углеродного каркаса.

Методы изготовления объемных сфуктур углеродных каркасов разнообразны. Известны такие технологические приемы, как ткачество сухих



нитей, прошивка тканей, намотка нитью, сборка жестких стержней, а также комбинация этих методов.

Управление анизотропией свойств УУКМ осуществляется путем варьирования укладкой арматуры. Выбор схемы армирования композита производят на основании данных о распределении температурных и силовых полей и характере нагружения готового изделия. Широкое распространение получили тканые системы на основе двух, трех и п нитей. Отличительной чертой тканых армирующих каркасов, образованных системой двух нитей, является наличие заданной степени искривления волокон в направлении основы, в то время как волокна утка прямолинейны. В тканых каркасах, образованных системой трех нитей, степень искривления волокон определена в трех направлениях выбранных осей координат. Изготовление тканых каркасов на основе трех и более нитей требует разработки сложного ткацкого оборудования. Более технологичные армирующие системы получают на основе прямолинейных элементов (стержней), которые изготовляются методом пултрузии. Данный метод заключается в пропитке связующим жгута волокон, формовании из него стержня заданного профиля протяжкой через фильеры и последующем отверждении.

На основе стержней получают материалы, армированные в одном, двух, грех, четырех, пяти и более направлениях. Композиты с однонаправленным расположением волокон (ID) обычно используются в качестве модельных материалов при исследовании свойств и влияния взаимодействия между волокном и матрицей на прочностные и структурные характеристики композитов. Двумерноармированные материалы {2D) применяются, в основном, для производства элементов, представляющих собой тонкостенные изделия. Вследствие слоистой структуры, такие материалы имеют низкие сдвиговые характеристики. Были найдены способы увеличения межслойной прочности композитов [18]. Однако более эффективным методом является замена двумерноармированных материалов многомерно армированными. Для проектирования рациональной технологии изготовления УУКМ необходимо знать их предельные коэффициенты армирования. В работах Ю. М. Тернопольского с сотр. и А.Ф.Крегерса с сотр. исследовали возможность предельного наполнения пространственно-армированных материалов элементами круглого поперечного сечения. Предельные коэффициенты армирования для разных типов укладок арматуры даны в табл. 3.9. Наиболее плотную упаковку имеет однонаправленная гексагональная структура. Отклонение направленной укладки волокон от однонаправленой схемы суще-

ица 3.9. Коэффициенты армирования структур на основе прямолинейных элементов

Число направлений япмирования

Укладка волокон

2 3 4

Гексагональная Прямоугольная Слоистая (произвольная) Прямоугольная в трех плоскостях Гексагональная трансверсально-изотропная

Косоугольная в двух ортогональных плоскостях

Косоугольная в двух ортогональных плоскостях с прошивкой

0,97 0,785 0,785 0,589 0,563

0,680 (а = З5...26°) 0,383 (а = С..90°) 0,536 (а = З5...26°)

0,907...0,393 (а = 0...90°)

ственно снижает объемный коэффициент армирования материала. Так, при переходе на каркас трехнапраалеиного ортогонального типа предельный коэффициент армирования материала цр снижается на 25% по сравнению с коэффициентом армирования при слоистой структуре, для которой при любом числе направлений армирования характерно неизменное значение коэффициента армирования цр = 0,785. При четырех направлениях армирования, из которых три создают изотропию свойств в плоскости, Pjjp снижается на 38 % относительно гексагональной однонаправленной схемы. На практике значения коэффициентов армирования материала оказываются ниже, чем приведенные в табл. 3.9, ввиду несовершенства формы реальных каркасообразующих элементов.

Матрицы УУКМ. Углеродная матрица в композиционном материале принимает участие в создании несущей способности композита, обеспечивает передачу усилий на волокна. От свойств матрицы зависят физико-химические свойства материала в целом. В основе процессов получения углеродных матриц лежат термохимические (пиролитические) превращения органических соединений (мономеров, пеков, сетчатых полимеров) в газообразном или конденсированном состоянии с формированием различных модификаций углерода и его соединения.

В настоящее время разработаны две принципиально различные технологии получения УУКМ - жидкофазная и газопиролитическая технология. В первом случае волокнистый углеродный каркас пропитывается природным (каменноугольный или нефтяной пек) или синтетическим связующим, например феноло-формальдегидным, которое в результате



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 [ 38 ] 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка