Особенности получения КМ жидкофазными методами

Выбор метода получения КМ основан на анализе межфазного взаи­модействия компонентов, их химической и механической совмести­мости. Химическая совместимость - это способность компонентов в условиях эксплуатации не образовывать хрупких химических со­единений, которые разрушаются под действием внешней нагрузки. Металлы в КМ могут образовывать твердые растворы, механические смеси или хрупкие химические соединения. Если в зоне соединения компонентов КМ не образуется хрупких интерметаллидных соедине­ний, а формируется пластичный переходный слой, то такой КМ обла­дает высокими эксплуатационными свойствами. Прочность связи компонентов определяется их химической и механической совмести­мостью по модулям упругости, коэффициентам термического расши­рения, пределам прочности и показателям пластичности.

Пропиткой волокон расплавленным металлом или термореак­тивными смолами получают изделия любой конфигурации без до­полнительной механической обработки (рис. 7.3). Прочность связи компонентов определяется смачиваемостью поверхности армирую­щего элемента жидкой матрицей. Пропитку проводят при нормаль­ном давлении, вакуумным всасыванием, под давлением и комбини­рованным методом.

Наиболее перспективный метод - это непрерывная пропитка волокон расплавленным металлом или термореактивными смолами с формованием профиля протягиванием КМ через фильеру (рис. 7.4). Использование дискретных (коротких) волокон позволяет изготав­ливать КМ во вращающейся форме. К волокнам для повышения смачиваемости расплавом прикладывают ультразвуковые колебания. Однонаправленная структура формируется с помощью электромаг­нитного поля.

.

Рис. 7.3. Схема устройства для укладки волокон:

1 - непрерывные волокна; 2 - бункер для подачи пластмассы; 3- формую­щий ролик; 4 - нагреваемая поверхность; 5 - направляющие пазы

Рис. 7.4. Схема изготовления пропиткой волокнистых КМ с полимерной матрицей:

1 - предварительная сушка волокон; 2 - ванна с термореактивной смолой;

3 - формующие фильеры; 4 - полимеризатор; 5 - печь; 6 - формующая

фильера; 7- печь; 8 - охладитель; 9 - тянущее устройство; 10 - устройство

для резки на мерные длины

7.3. Особенности получения КМ твердофазными методам»

В твердофазных методах получения КМ материал матрицы имеет вид порошка, фольги, листов, ленты; волокна могут быть непрерывные, дискретные, в виде ткани и жгутов. Для получения КМ используют высокопроизводительные процессы обработки давлением: прокатку (теплую или горячую), прессование в пресс-формах с обогреваемыми плитами, динамическое горячее прессование, горячее прессование, экструзию, взрывное компактирование, диффузионную сварку. В ка­честве исходных заготовок для обработки в твердой фазе могут исполь­зоваться КМ, полученные литьем или методом осаждения-напыления. Хроме волокон в качестве армирующего элемента используют так­же нитевидные кристаллы, получаемые осаждением из газовой фазы, выращиванием в электрическом поле, кристаллизацией из раство­ров. Волокна изготавливают с аморфной (стекловолокно, кремние­вые волокна), композиционной (борные) и кристаллической (угле­родные) структурой. Борные волокна получают осаждением бора на вольфрамовую проволоку (диаметром 22,5 мкм) в виде покрытия; уг­леродные - карбонизацией и графитизацией полиакрилонитрильных (ПАН-В) или гидроцеллюлозых (вискозных; Гц-6) волокон. Кера­мические волокна (MgO, A12O3, ZrO2, TiO, SiC, Si3N4, B4C) получают из расплавов, осаждением из газовой фазы или методами порошко­вой металлургии. Металлические волокна (проволока) изготавлива­ют механически, электрохимически или формованием из расплава с использованием фильер.

В качестве металлической матрицы используют сплавы алюми­ния, магния, меди, кобальта. Керамической матрицей могут быть ок­сиды алюминия, циркония, магния, карбиды титана, кремния, бора, нитриды кремния, бора, титана, алюминия и т. д. Основой полимер­ной матрицы являются термореактивные смолы (фенолформальде-гидные, эпоксидные).

В зависимости от назначения и условий работы изделия выбирают компоненты КМ, объемную долю каждого из них, их расположение и размеры. Для двухкомпонентных КМ, армированных непрерыв­ными волокнами, прочность КМ определяют по уравнению адди­тивности

°км =kfV*fVf+km<5m{l-Vf),

где о#- временное сопротивление волокна, МПа; от - приведенная прочность матрицы, МПа; Vf- объемная доля волокна, %; кр кт- коэффициенты, зависящие от условий работы волокна и матрицы. В этих коэффициентах учитывается разброс прочности волокон, ихра-зориентация, пористость матрицы, наличие внутренних напряжений.

Применение в КМ дискретных (коротких) волокон требует созда­ния условий, при которых волокна не вытягиваются из матрицы, а воспринимают нагрузку. Прочное сцепление волокна и матрицы определяется длиной волокна, которая должна превышать критиче^ ские значения. Критическую длину /кр определяют из соотношения

где d, <3y-диаметр (мм) и временное сопротивление волокна (МПа); т - прочность на сдвиг между матрицей и волокном.

Прочность КМ с дискретными волокнами достигает 90 % прочности КМ с непрерывными волокнами. Использование высокопрочных воло­кон с низкой плотностью позволяет получить высокие удельную проч­ность и удельную жесткость. По удельной прочности КМ превосходят лучшие литые и деформированные титановые^ алюминиевые сплавы.