Композиционные материалы с металлическими волокнами
Керамику чаще армируют волокнами вольфрама, молибдена, стали, ниобия. Основная цель введения в керамику металлических волокон заключается в образовании пластической сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевременного разрушения. Изготавливают такие ККМ в основном методами горячего прессования и шликерного литья, поскольку металлические волокна не взаимодействуют с оксидной керамикой вплоть до температур 2073...2773 К. Удельная вязкость и термостойкость ККМ непрерывно повышаются по мере увеличения содержания армирующих волокон в композите. Однако при содержании волокон более 25 % возрастает пористость материала, что приводит к его разупрочнению.
Широкое применение металлических волокон для армирования керамики ограничивается их низкой стойкостью к окислению при высоких температурах.
Композиционные материалы с углеродными волокнами
Взаимодействие углерода с оксидами, карбидами и силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами, поэтому перспективно в качестве матриц высокотемпературных КМ с углеродными волокнами использовать керамику. В тех случаях, когда предполагаемая температура эксплуатации деталей из ККМ превышает 2273 К, целесообразно применять керамическую матрицу на основе карбидов, выше 1273 К — на основе боридов и нитридов, при более низких температурах — оксидную матрицу.
|
|
|
Важным условием для обеспечения прочности углеродистых волокон в ККМ является оптимальное соотношение модулей упругости волокон и матрицы. При объемной доле углеродных волокон 50...60 % их прочность максимально используется при отношении модулей упругости материала и волокна, приближающемся к 0,1, поэтому для армирования керамики следует применять высокомодульные волокна.
Из углекерамических КМ наиболее широко исследованы композиты со стеклянной матрицей (боросиликатные, алюмо-силикатные, литиевосиликатные и др.). Для указанных материалов характерна стабильность исходных физико-механических параметров вплоть до высоких температур. Например, для ККМ боросиликатное стеклоуглеволокно (60 % об.) при температуре 293 К предел прочности при изгибе составляет 1025 МПа и не изменяется до температуры 870 К.
Следует отметить, что большое влияние на физико-механические свойства ККМ оказывает выбранный способ формования ККМ.
Композиционные материалы с волокнами карбида кремния
При практически равной прочности эти ККМ имеют преимущества перед аналогичными материалами с углеродными волокнами, так как имеют повышенную стойкость к окислению
|
|
|
при высоких температурах и значительно меньшую анизотропию коэффициента термического расширения.
В качестве матричного материала используют порошки бо-росиликатного, алюмоборосиликатного, литиево-боросиликат-ного стекла или смеси стекол в различных соотношениях. Волокна карбида кремния применяют в виде моноволокна или непрерывной пряжи со средним диаметром отдельных волокон 10... 12 мкм.
ККМ, армированные моноволокном, получают горячим прессованием слоев из лент волокна и стеклянного порошка в среде аргона. Они удобны с точки зрения изготовления деталей сложных форм из материалов, армированных непрерывной пряжей. По своим свойствам эти материалы даже превосходят ККМ, армированные моноволокном.
Материалы типа керамика-керамика имеют большую перспективу, поскольку малое различие модулей упругости матрицы и наполнителя, КЛТР, химическое сродство позволяют рассчитывать на получение материалов с уникальными свойствами, которые смогут работать до температур 2073 К. Эти композиты можно использовать для конструкций ядерных силовых установок, высокотемпературных подшипников уплотнений, направляющих и рабочих лопаток газотурбинных двигателей, антенных обтекателей возвращаемых космических ЛА и носовых обтекателей ракет.
|
|
|
1.8. Гибридные композиционные материалы
Гибридными композиционными материалами называют материалы, содержащие в своем составе три или более компонентов, регулирующие свойства композитов. Полиматричными (или гетероматричными) называют материалы, состоящие из двух или более матричных компонентов, отделенных один от другого поверхностями раздела, причем армирующие волокна могут сохранять непрерывность на границе раздела матриц. Полиармированные (поливолокнистые) КМ состоят из одной матрицы с распределенными в ней армирующими компонентами различных видов.
1
|
|
Возможны различные варианты сочетаний непрерывных армирующих волокон: создание гетероволокнистых материалов по принципу однородных смесей — волокна различных типов равномерно распределяются в первичной нити, ленте или жгуте (рис. 1.43, а); использование многокомпонентного армирующего материала — ткани, мата или шпона из различных нитей и жгутов (рис. 1.43, б); чередование слоев листовых армирующих материалов с различными волокнами по слоям (рис. 1.43, в).
|
|
|
а д д
Рис. 1.43.Варианты гибридных структур:
а — гетероволокнистые нити; б — многокомпонентные ткани;
в — слоистые ГКМ
Рис. 1.44. Зависимость коэффициента линейного термического расширения от температуры для различных ГКМ:
7 - стеклопластик; 2 - стеклоуглепластик; 3 - органоуглепластик; 4 - углепластик
эта характеристика значительно изменяется с увеличением температуры эксплуатации.
Гибридизация оказывает большое влияние на модуль упругости ГКМ, прочность при сжатии, ударную вязкость, тепловые характеристики. Уровень этих и других свойств определяется относительным содержанием волокон в ГКМ (рис. 1.45).
Для армирования могут быть использованы любые волокнистые наполнители. Они обеспечивают повышение показателей прочностных и упругих свойств композитов, в том числе и при многократных (циклических) нагрузках, повышение термо- и химической стойкости, изменение электрофизических характеристик и т.д. Большинство этих свойств композиционного материала определяется соответствующими показателями самих волокон.
Существует две основные причины, приводящие к необходимости использования гибридных композитов: включение волокон, превосходящих по каким-либо параметрам другие волокна, входящие в композит, помогает ликвидировать недостатки этих волокон; снижение цены получаемого ГКМ.
КЛТР у стеклоуглепластиков и органоуглепластиков может не зависеть от температуры в диапазоне от —120 до +160 °С (рис. 1.44), тогда как у обычного стеклопластика и углепластика
Рис. 1.45. Зависимость физико-механических свойств ГКМ от содержания
волокон:
а - для стеклоуглепластика; б - для различных ГКМ; / - стеклоуглепластик;
2 - органоуглепластик (СВМ + УКИ); 3 - органоуглепластик (СВМ + В
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 873; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!