Поликристаллические керамические волокна (ПКВ)

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 4Следующая ⇒

Волокна имеют структуру спеченной беспористой керамики с неориентированными зернами, размеры которых значительно меньше размеров поперечного сечения волокна.

По сравнению с моно- ПКВ имеют следующие преимущества:

- бОльшую однородность и меньший разброс прочности;

- лучшую технологичность;

- значительно меньшую стоимость

Технология получения

Основной метод производства ПКВ: экструзия

Экструзией получают непрерывные ПКВ:

- оксидов металлов, диаметром 5—30 мкм

- карбидов, диаметром 100-160 мкм

Применение ПКВ

- непрерывные волокна - в пряжу, ее перерабатывают в ткани.

- короткие волокна перерабатывают в нетканые материалы с неориентированной структурой (войлок, маты).

Монокристаллические керамические волокна (МКВ)

Волокна обладают бОльшими потенциальными возможностями для армирования МКМ, особенно жаропрочных, поскольку прочность их приближается к прочности усов (НК), модуль упругости высокий, плотность невысока.

Например: монокристаллические волокна а-А l ₂ 0₃ и А l ₂ 0 • С r ₂ 0 сохраняют высокие прочность и модуль упругости при температурах выше 1200 С.

Технология получения

МКВ получают методами выращивания из расплавов.

Метод Чохральского (метод Степанова):

в расплавленную в тигле шихту вводится затравка (затравочный кристалл или несколько кристаллов заданной структуры и кристаллографической ориентации, ориентированные в требуемом направлении инициируют начало кристаллизации), расплав охлаждается и затравка с волокном вытягивается через плавающую на поверхности расплава фильеру.

Методом Чохральского получают непрерывные МКВ а-А1₂0₃ диаметром 40—500 мкм.

Недостатком метода является пористость волокна.

Применение МКВ

Волокна предназначены для упрочнения жаропрочных металлов и сплавов.

ОКСИДНЫЕ ВОЛОКНА Al ₂ 0₃(глинозем)

ДОСТОИНСТВА:

- высокая прочность;

- высокая жесткость;

- один из самых твердых материалов;

- относительно низкая плотность;

- высокие антифрикционные свойства;

- невысокая стоимость;

- высокая химическая стойкость ( до T = 1600 С!!) (по сравнению с бескислородными волокнами, такими, как С или SiC)

- высокая термостабильность (до Т = 1000 С, выше - рост зерна, начинается ползучесть, резкая потеря прочности);

-большая распространенность в природе

НЕДОСТАТКИ:

- высокая хрупкость;

- высокая чувствительность поверхности к истиранию

Рис. 5 Минерал корунд - Al₂0₃

Модификации Al₂O₃:

α-Al₂O₃(корунд) - термодинамически стабильная форма, остальные модификации метастабильны,

δ- Al ₂ O ₃ ,

γ- Al ₂ O ₃ ,

ђ («эта») - Al ₂ O _3.

Выпускают волокна:

- чистый глинозем

- смеси глинозема и кремнезема (70-100% A1₂0₃ и 0-30% Si0₂)-чаще всего

- муллит (минерал 2Al₂O₃·SiO₂).

Таблица 3

Свойства некоторых оксидных волокон зарубежного производства

Тип волокна	Состав, %	Диаметр, мкм	Плотность, т/м³	Прочность, ГПа	Е, ГПа
Nextel 312	Al₂0₃-62.5, Si0₂-24.5, В₂О₃-13	10-12	2.70	1.7	150
Nextel 440	Al₂O₃-70, Si0₂-28, B₂0₃-2	10-12	3.05	2.0	190
Nextel 550	Al₂0₃-73, Si0₂-27	10-12	3.03	2.0	193
Nextel 610	Al₂0₃-99+	10-12	3.9	3.1	370
Nextel 650	Al₂0₃-89, ZrO₂-10, В₂0₃-1	10-12	4.10	2.5	358
Nextel 720	Al₂0₃-85, Si0₂-15	10-12	3.40	2.1	260
Saffil (штапельное)	А1₂О₃-96, Si0₂-4	3	2.3	1.0	100
Saphikon (непрерывное монокр.)	Single Crystal A1₂0₃	70-250	3.8	3.1	380

Таблица 4

Свойства некоторых наиболее востребованных непрерывных оксидных волокон

зарубежного производства

- непрерывные волокна - перерабатывают в ткани.

- короткие волокна перерабатывают в нетканые материалы с неориентированной структурой (маты, войлок).

Ограничены Т_раб = 1200 С, если подвергаются механическим нагрузкам.

Тенденции развития оксидных волокон:

- повышение прочности;

- снижение высокотемпературной ползучести

НЕОКСИДНЫЕ ВОЛОКНА SI С

ДОСТОИНСТВА:

- высокие значения прочности, жесткости;

- относительно низкая плотность;

- высокая стойкость к термическому удару;

- высокая термостабильность (ковалентная связь)

НЕДОСТАТКИ:

- высокая хрупкость;

- химически стабилен до Т = 1200 С;

- высокая стоимость

Рис. 5 Минерал муассанит - SiC

ПРИМЕНЕНИЕ: армируют Al, Mg, Ti, Ni

Методы производства волокон SiС основаны:

1) на осаждении из газовой фазы (большой диаметр волокна 70 - 150мкм)-керновые

2) на разложении прекурсора (малый диаметр волокна 8- 18 мкм)-бескерновые

ПЕРВЫЙ СПОСОБ (керновое волокно-монофиламент)

1) аналогичен методу производства борных волокон.

Первоначально, в качестве источников Si, C использовали несколько соединений, содержащих их в отдельности.

Трудности: поддержание требуемого соотношения в газовой фазе.

Сегодня волокна SiC получают разложением (пиролизом) доступного метилтрихлорсилана (кремнийорганическое соединение, в одной молекуле Si и C в строго определенном соотношении):

СН₃ SiCl ₃ = SiC + ЗНС l

Подложка: W (d=10-15 мкм), C (d=30-35 мкм).

Особенности волокон SiC на различных подложках:

1) волокна на вольфрамовом керне:

- имеют больше дефектов, связанных с неравномерностью структуры основы – вольфрамовой нити;

- под действием высоких температур (более 1000 С) происходит диффузия углерода из SiC в вольфрамовую основу с образованием W₂C, что приводит к потере прочности волокон;

- имеют бо́льшую плотность (~1940 кг/м³), чем волокна на углеродном керне.

- срок службы при высоких температурах выше, чем у волокон на углеродном керне.

2) волокна на углеродном керне:

- имеют более высокую степень однородности структуры;

- сохраняют свои свойства при высокотемпературных воздействиях в процессе получения МКМ;

- имеют более мелкозернистое строение;

- углеродный керн слабо связан с карбидом кремния из-за отсутствия зоны диффузионного взаимодействия.

Однозначного преимущества ни одному из видов керновых волокон пока не отдано, все производящие их зарубежные фирмы (США, Великобритания) выпускают волокна с обоими видами кернов и с разными видами защитных покрытий – графитовым, углеродно-кремниевым, а также из борида титана (для улучшения совместимости с матрицей).

Таблица 5

Свойства некоторых неоксидных керновых волокон

Рис. 6 Волокно марки Sigma 1240 на вольфрамовом керне (а) и МКМ на его основе с титановой матрицей (б)

Рис. 7. Микроструктура образцов из МКМ с волокнами:

типа 1 (на вольфрамовом керне, без покрытия ) (а),

типа 2 (на вольфрамовом керне, с покрытием ) (б),

и SCS-6 (на углеродном керне, с покрытием ) (в)

Результаты исследования прочности МКМ (при растяжении)

Сплав Ti–6Al–4V, армированный волокнами SiC	σ_в, МПа
Типа 1	1036
Типа 2	1260
SCS-6	1521

ВТОРОЙ СПОСОБ (бескерновые волокна)

Бескерновые волокна SiC диаметром от 10 до 18 мкм получают из кремнийорганических полимеров (поликарбосиланов) путем экструзии при температуре 350°С с одновременной вытяжкой, отверждением и последующей термической обработкой от 1200 до 1300°С.

Для МКМ, получаемых методами пропитки, волокна пригодны для армирования алюминиевых и магниевых сплавов. Технология их производства должна обеспечивать совместимость волокон с металлическим расплавом.

Гибкость! (текстильная переработка)

Таблица 6

Свойства некоторых неоксидных бескерновых волокон