Механические характеристики углеродных волокон

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 82Следующая ⇒

Страна, марка волокна	Плотность ρ-10³ кг/м³	Диаметр d, мкм	Модуль упругости Е⁺₁, ГПа	Средняя прочность σ⁺₁ ГПа	Предельная деформация ε, %
		Россия
ВМН-3	1,71	7,0	250	1,43	0,6
ВМН-4	1,71	6,0	270	2,21	0,8
ВЭН-210	-	9,9	343	1,47	0,4
Кулон	1,90	-	400-600	2,0	0,4
ЛУ-2	1,70	-	230	2,0-2,5	1,0
ЛУ-3	1,70	-	250	2,5-3,0	1,1
ЛУ-4	1,70	-	250	3,0-3,5	1,3
Урал-15	1,5-1,6	-	70-80	1,5-1,7	2,1
Урал-24	1,7-1,8	-	150-200	1,7-2,0	1,1
Элур	1,6	-	150	2,0	1,3
УКН-5000	1,75	-	180-230	3,0-3,5	0,9
		США
Торнел-800	1,80	6,0	273	5,46	2,0
Хитекс-46 Н	1,8	5,0	322	5,6	1,7
		Япония
Торейка Т-300	1,76	8,4	235	3,53	1,5
М-50	1,90	-	500	2,35	0,5

Примечание.В данном учебнике приведены значения d, cti , e , полученные на базе 10 мм.

Из композитов на основе углеродных волокон изготавливают: несущие панели крыла, оперения и фюзеляжи самолета; обшивки трехслойных панелей крупногабаритных антенн, зеркал, работающих в космосе; лопатки турбин, сопловые блоки, носовые обтекатели, вкладыши критического сечения ракетных двигателей и многие другие изделия, эксплуатируемые в условиях интенсивного теплового воздействия.

Борные волокна

Использование борных волокон в композитах позволяет обеспечивать высокий уровень прочностных, усталостных характеристик и высокое значение модуля упругости.

Наиболее широко распространена технология получения борных волокон на основе количественного осаждения бора из газовой фазы. Обычно используют газовую смесь водорода Н₂и трихлорида бора ВС1₃.

Химическая реакция, приводящая к выделению элементарного бора, протекает в соответствии со схемой: 2 ВС1₃ + 3 Н₂ -+ 2В + 6 НС1, при этом только 2 % ВС1₃ разлагается с осаждением бора на основу.

Боровольфрамовые волокна производят в реакторе (рис. 1.7). Бор осаждается на раскаленную пропускаемым током вольфрамовую нить диаметром 12,5 мкм при температуре вольфрамовой основы 1350 °С.

Рис.1.7. Схема реактора для по-лучения боровольфрамовых волокон одностадийным методом осаждения при нагревании: 1 - подающий намоточный бара-бан; 2 — штуцер для подачи газо-вой смеси; 3 — камера осаждения; 4 - штуцер для удаления газов; 5 — приемный намоточный барабан; 6 - электрод; U_Q - потенциал, необходимый для нагревания нити; s - расстояние между электродами.

В промышленности выпускают волокна диаметром 100, 140 и 200 мкм. Чтобы получить продукцию с максимально высокими характеристиками и большим содержанием бора, необходимо строго выдерживать скорость осаждения и другие технологические режимы в реакторе.

■■:

мере осаждения бора меняется электрическое сопротивление волокна. Электросопротивление, температура волокна и скорость осаждения бора уменьшаются от начала к концу реактора. Температурный профиль можно поддерживать практически постоянным, если применить двухстадийную (или более) схему подведения электрического тока к подложке.

С целью повышения жаростойкости борных волокон их покрывают карбидом кремния, осажденным из парогазовой фазы в среде аргона и водорода. Такие волокна называют борсиком.

Борные волокна обладают большей по сравнению с другими типами армирующих волокон сдвиговой жесткостью. Модуль сдвига превышает 180 ГПа. Прочность борных волокон имеет заметный статистический разброс (коэффициент вариации прочности колеблется в пределах 17...36 %). Механические характеристики некоторых типов борных волокон приведены в табл. 1.6.

Таблица 1.6 Механические характеристики борных волокон

Страна, марка волокна	Плотность Р-1СГ³, кг/м³	Диаметр d, мкм	Модуль упругости Е⁺₁, ГПа	Средняя прочность на базе 10 мм σ⁺₁, ГПа	Предельная деформация ε, %
США Avco (B/W)	2,5	98	390-400	3,39	0,85
Япония Toshiba (B/W)	2,5 2,5 2,5	97,2 96,8 99	363-386 378-388 374-393	3,74 3,58 3,23	1,0 0,93 0,84
Франция SMPE (B/W)	2,5	100+5	408	3,57	0,88
ФРГ Wacker-Chemie (B/W)	2,54	100+5	420	3,10	0,74
Россия (B/W)	2,5	95+3	394	2,95-3,5	0,75-0,9

Использование в композите борных волокон благодаря их полупроводниковым свойствам приводит к понижению тепло-и электропроводности.

Волокна бора используют в производстве композитов с алюминиевыми и полимерными матрицами. Композиты с алюминиевыми матрицами имеют ряд преимуществ: их могут эксплуатировать при температурах до 640 К и перерабатывать на обычном технологическом оборудовании, используемом в металлургической промышленности.

К недостаткам борных волокон следует отнести сложность их переработки методом намотки изделий с малыми радиусами кривизны, а также разкое падение механических характеристик при температурах, превышающих 400 °С, в результате окисления бора. Кроме того, боровольфрамовые волокна имеют довольно высокую стоимость, что обусловило необходимость изучения возможности использования более дешевых углеродных волокон в качестве основы при получении борных волокон.

В настоящее время борокомпозиты применяют в производстве изделий авиационной, ракетной и космической техники, где определяющим критерием качества материала являются удельные значения прочности и жесткости. В основном их используют для изготовления стержневых элементов и панелей, а также для усиления профилей и элементов конструкций летательных аппаратов.

Волокна карбида кремния

Карбидокремниевые волокна SiC выполняют как на вольфрамовой, так и на углеродной подложках. Благодаря своим физико-механическим свойствам волокна этого типа обычно применяют в металлокомпозитах для эксплуатации при длительном воздействии высоких температур.

Получение волокон из SiC во многом сходно с процессом получения борного волокна (см. рис. 1.7). Вместо ВС1₃ в реактор аналогичного устройства подают смесь алкилсиланов с водородом. В настоящее время SiC-волокна предпочтительнее изготавливать с использованием в качестве основы углеродного волокна, а не вольфрамовой проволоки. Кроме того, процесс получения SiC-волокон более экономичен, так как для получения 1 кг SiC-волокон необходимо всего 8 кг силана, в то время как для получения 1 кг борного волокна необходимо 15 кг ВС1₃. Скорость получения SiC-волокон в реакторе вдвое выше скорости получения борного волокна.

з*

Рассмотрим основные физико-механические характеристики волокон карбида кремния на вольфрамовой подложке:

Плотность р-10~³, кг/м³ . . . . . . . . . . . 3,3

Модуль упругости при растяжении вдоль волокна Е\, ГПа . 400...500

Модуль сдвига G, ГПа . . . . . . . . . . 170

Средняя прочность при растяжении ст|, ГПа . . . . . . 2...4

Предельная деформация е, % . . . . . . . . 0,3...0,5

КЛТР <х-10⁶, К^-1 (300...600 К) . . . . . . . . . 3,3

Карбидокремниевые волокна на углеродной подложке более дешевые, но имеют пониженные прочностные характеристики и повышенную чувствительность к поверхностным дефектам. Это обусловлено тем, что данный тип волокон имеет мелкозернистое строение, углеродный сердечник слабо связан со слоем карбида кремния и остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое меньше, чем в карбидокремниевых волокнах на вольфрамовой подложке.

Композиты на основе карбидокремниевых волокон используют в конструкциях ядерных силовых установок, высокотемпературных подшипниках, направляющих и рабочих лопатках газотурбинных двигателей, носовых обтекателях ракет.

Металлические волокна

Для конструкционных композитов наиболее эффективными и экономичными (в некоторых случаях) являются металлические проволочные волокна. Так для композитов, предназначенных для работы при пониженных температурах, используют стальные и бериллиевые волокна, а при высоких температурах — вольфрамовые и молибденовые.

По сравнению с вольфрамовыми, молибденовые волокна незначительно уступают по прочностным и упругим характеристикам, а также по жаростойкости. Некоторые механические характеристики молибденовых и других типов металлических волокон приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1046; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!