АРМИРУЮЩИЕ ВОЛОКНА

Волокна используются в качестве арматуры композиционных материалов (КМ). Они должны обладать небольшой плотностью, высокой прочностью во всем интервале рабочих температур, технологичностью, минимальной растворимостью в матрице, вы­сокой химической стойкостью, отсутствием фазовых превращений при рабочих температурах и, по возможности, быть нетоксичными при изготовлении и эксплуатации.

Для армирования применяют нитевидные кристаллы (усы), металли­ческую проволоку, неорганические и органические волокна. Усы имеют диаметр от долей микрометра до нескольких микрометров и длину от долей микрометра до нескольких сантиметров. Широко в качестве армирующих элементов конструкционных КМ пока не используются.

Высокопрочная металлическая проволока из стали, вольфрама, мо­либдена и других металлов хотя и имеет большую плотность и мень­шую прочность чем у усов, используется в качестве арматуры, особен­но для КМ на металлической основе, намного чаще, благодаря своей технологичности, широкой доступности и сравнительно невысокой сто­имости. Поликристаллические неорганические волокна, как и металли­ческая проволока, выпускаются промышленностью в больших количес­твах. Их недостатком является высокая чувствительность к механичес­ким повреждениям, однако малая плотность, высокая прочность, хи­мическая стойкость углеродных, борных, стеклянных, карбидокремни­евых, кварцевых и других волокон позволяют широко использовать эти материалы для армирования пластмасс и металлов. Органические во­локна используются только для армирования полимерных матриц.

Волокна бора, карбида кремния и борсика (B/SiC), обладающие высокой прочностью, жесткостью и малой плотностью, наиболее перспективны для упрочнения матриц на основе легких металлов (Al, Mg, Ti) и их сплавов. В литературе уделяется много внимания алюминию, армированному волокнами бора и карбида кремния, ко­торые получают осаждением из газовой фазы бора и карбида крем­ния на нагретую до температуры 1 373... 1 473 К поверхность вольф­рамовой проволоки диаметром 12,5 микрометра. Диаметр волокон, выпускаемых промышленностью, составляет 90...150 микрометров.

Для получения волокон используют одно или двухкамерный ре­актор, через который со скоростью 5... 18 м/час протягивается вольфрамо­вая нить, нагретая с помощью прямого пропускания тока, подводимо­го через затворы-контакты. Соотношение компонентов парогазовой фазы подбирается в зависимости от требуемого конечного диаметра волокна, диаметра вольфрамовой подложки и размеров реактора.

Образование осаждающегося бора можно достичь путем восстанов­ления его из тетрахлорида, протекающего в среде водорода по реакции:

2ВС1₃ + ЗН₂ →2В + 6НС1

Сердцевина волокон бора, полученных на вольфрамовой под­ложке, состоит из боридов вольфрама WB, W₂B₅ и WB₄. При продол­жительном нагреве сохраняется в основном фаза WB₄. Образование указанных соединений происходит в результате реактивной диффу­зии при взаимодействии вольфрама с бором в условиях высокотем­пературного нагрева.

Физико-механические свойства волокон бора, карбида кремния и борсика приведены в табл. 13; температурная зависимость модуля упругости и прочности волокон - в табл. 14.

Волокна бора имеют кристаллическую структуру β-ромбичес- кой модификации, формирующейся при температуре 1 476 К. При­меси в исходных продуктах влияют на фазовые превращения.

На рис. 34 схематично иллюстрируются главные особенности строения борного волокна.

В последнее время при получении борных волокон вместо вольфрамовой нити с плотностью = 19 000 кг/м³ используют стекло­углеродное или углеродное моноволокно с плотностью 1 600 кг/м³, вырабатываемое из термопластичных пеков.

В табл. 15 и 16 приводятся некоторые свойства тех и других борных волокон.

Как видно из приведенных данных, качество борных волокон, полученных на стеклоуглеродной мононити, лучше, чем на вольф-

Таблица 13

Физико-механические свойства волокон бора,

борсика и карбида кремня

Обозначения: d – диаметр волокна; Е – модуль упругости; τ_сд – модуль сдвига; µ - коэффициент Пуассона; σ_в – прочность при растяжении; σ_н – сопротивление изгибу; Ɛ – относительное удлинение.

Таблица 14