» » Волокна, используемые для армирования
16.12.2014

Основная масса применяемых в настоящее время ЛKM армирована волокнами. Только в последнее время доля их начала несколько уменьшаться в связи с более широким применением нульмерных армирующих элементов и псевдосплавов.
Волоконные армирующие элементы можно классифицировать по геометрическому признаку (дискретные и непрерывные), по структуре (монокристаллические, аморфные, поликристаллические, поликрист аллические с текстурированной структурой), по природе исходных компонентов металлические (проволоки из металлов и сплавов) и неметаллические (волокна карбидов, углеродные, керамические, стеклянные).
Различия в исходных материалах, структуре и свойствах многообразие типов соединений с металлическими матрицами обеспечивают широкие возможности разработки ЛKM с заранее заданными свойствами. Особое внимание при этом уделяется материалам волокон, обладающих высокой прочностью, жесткостью, упругостью, циклической тепло- и жаростойкостью.
Дискретные волокна, в основном нитевидные кристаллы, могут быть получены методом осаждения из газовой фазы, который заключается в возгонке или испарении исходных веществ и их осаждении на более холодных стенках реактора или специальных подложках.
Нитевидные кристаллы алмаза, селена, германия, кремния, арсенидов и фосфидов металлов подгруппы IIIA, окислов алюминия, магния, никеля могут быть получены при кристаллизации из газовой фазы через жидкую. Конденсация пара происходит на поверхности жидкости. При этом жидкость обогащается веществом, осевшим из паровой фазы, которое выделяется на границе раздела.
Одним из наиболее простых методов выращивания монокристаллов с относительно невысокими температурами плавления, плавящимися конгруэнтно, является выращивание из расплава. Скорость роста в этом случае пропорциональна переохлаждению на границе раздела жидкость — кристалл. Известны способы выращивания по Бриджмену, Чохральскому, Вернейлю, Тейлору, а также способ плавающей зоны.
Например, способ Тейлора позволяет получить керамические нити или нити металлов в том случае, когда в кварцевый капилляр помещается исходное вещество и производится зонное расплавление. При расплавлении вещество вытягивается вместе с оболочкой в волокно, наматываемое на барабан.
Нитевидные кристаллы могут быть выращены в результате химических реакций восстановления, пиролиза, окисления, осаждением из парогазовой фазы.
Возможен самопроизвольный рост монокристаллов на электролитических покрытиях, преимущественно покрытиях легкоплавких металлов. С повышением температуры наблюдается рост кристаллов на покрытиях никеля, меди, вольфрама, титана. Нитевидные кристаллы могут быть получены при электротехническом осаждении металлов в присутствии ПАВ, ограничивающих рост осадка по площади. В дуге высокого давления (в дугоразрядных камерах, заполненных инертными газами) один из графитовых электродов испаряется и испарившиеся частички оседают на другом электроде в виде сферы или були, проросшей нитевидными кристаллами, которые извлекаются при расколе були. Образование усов происходит также при хрупком разрушении ионных кристаллов. Одним из важнейших методов получения монокристаллов является кристаллизация из растворов. Этот метод может реализоваться при быстром охлаждении растворов, при высыхании влажных кристаллов, при фильтрации через пористые среды, в растворах, содержащих органические примеси.
Основным свойством нитевидных кристаллов является их высокая прочность, близкая к теоретической, что можно объяснить совершенством их структуры и минимальным количеством загрязнений и дефектов строения. При этом нитевидные кристаллы, в отличие от поликристаллических армирующих элементов, имеют выраженную анизотропию свойств по различным кристаллографическим плоскостям.
Практическое определение механических свойств нитевидных кристаллов связано с рядом трудностей, устранение которых и методы проведения испытаний рассмотрены в работах. Для проведения испытаний нитевидных кристаллов используются установки с малыми усилиями (порядка 0,02—0,05 Н) и малыми скоростями нагружения (от 0,001 до 0,005 см/мин). Линейные размеры определяются при помощи оптических микроскопов, но более точные результаты получаются при измерении на электронных микроскопах с использованием теневого изображения и интерферометрии. Поперечное сечение усов определяется также методами планиметрии микрофотографий шлифов.
По данным работ, были отмечены два основных вида диаграмм деформации нитевидных кристаллов. Для большинства веществ в начальной стации деформации наблюдается линейная зависимость между напряжением и деформацией. В дальнейшем линейность нарушается и происходит хрупкое разрушение кристалла. Для материалов с гранецентрированной и гексагональной кристаллическими решетками нитевидные кристаллы имеют область упругой деформации и область течения, при котором реализуется механизм Чернова—Людерса. После продвижения полос по всей длине кристалла наблюдается вторичное упрочнение.
Модули упругости нитевидных кристаллов практически не отличаются от модулей упругости массивных образцов монокристаллов. Для нитевидных кристаллов наблюдается зависимость прочностных характеристик от диаметра. Увеличение прочности усов получено при уменьшении диаметра от 10 до 2 мкм. При больших диаметрах прочность нитевидных кристаллов близка прочности массивных образцов. Существенные различия в результаты испытаний вносят дефекты поверхности и внутренней структуры. Для пластических материалов снижение прочности связывается с действием дислокационных источников, для хрупких — с концентрацией напряжений у поверхности дефектов.
С повышением температуры нитевидные кристаллы разупрочняются, но это явление связано с их химической природой. Менее всего подвержены разупрочнению нитевидные керамические кристаллы.
Непрерывные поликристаллические волокна могут быть получены волочением (последовательным пластическим деформированием при протягивании через фильтры с различным диаметром отверстий); осаждением из газовой фазы на металлические или неметаллические нити; химико-термической обработкой; экструзией; вытягиванием из расплава; прессованием.
Металлические проволоки являются наиболее распространенными армирующими элементами композитов. Самым распространенным способом их получения является волочение. В зависимости от исходного химического состава заготовки эти проволки получаются холодным волочением, волочением а подогревом или на горячо. Стальные проволоки из малолегированных, углеродистых, нержавеющих и мартенситностареющих сталей позволяют подобрать армирующие элементы с большим набором прочностных характеристик, их прочность зависит от диаметра, с уменьшением которого она увеличивается. Для проволок из углеродистых сталей исходные прочностные характеристики сохраняются до температуры не более 400 °С, т.е. без последующей термической обработки или других мероприятий, возобновляющих их прочность, они совместимы только с легкоплавкими матрицами. Вместе с тем, использование различных легированных (нержавеющих и мартенситностареющих) проволок, как армирующих элементов, позволяет расширить область применения металлических матриц с более высокими температурами, во-первых, путем повышения порога термической стойкости армирующих элементов и, во-вторых, в результате применения термической обработки. Хорошим сочетанием прочности тепло- и жаростойкости обладают вольфрамовые, молибденовые, титановые и бериллиевые проволки.
Вольфрамовые и молибденовые проволоки производятся по следующей схеме. Исходные порошки металла смешиваются, прессуются, спекаются в атмосфере водорода. Термическая обработка исходных заготовок осуществляется при температурах, близких к температурам выплавления этих металлов. Затем заготовки (штабики) обрабатываются давлением при повышенных температурах. Такая обработка производится ротационной ковкой, прокаткой или экструзионным выдавливанием. Полученные прутки подвергаются волочению с промежуточными окислительными (на воздухе в газовом пламени) отжигами и отжигом в атмосфере водорода.
Титановая проволока получается в результате горячей ковки заготовок в прутки и последующим волочением.
При производстве бериллиевой проволоки наиболее сложным этапом является предварительная полготовка металла, включающая обработку фторида бериллия, плавление и литье слитков, гранулирование литого металла, брикетирование порошка и спекание. Порошковые заготовки обрабатываются различными способами (прессование, экструзия) в прутки, которые затем волочатся в проволоку.
Кроме применения в виде непрерывных или дискретных волокон стальная, вольфрамовая и молибденовая проволоки перерабатываются в сетки различной формы плетения (тканые и трикотажные), упрочняющие ЛКМ в двух направлениях. Бериллиевая и титановая проволоки из-за большой жесткости в сетки не перерабатываются.
Стеклянные волокна получаются вытягиванием через фильтры расплавленной стекломассы. Наиболее распространенным способом производства непрерывного волокна этого типа является двухстадийная схема: производство стеклошариков, их плавление, формирование элементарных волокон, сбор волокон в первичную нить, намотка на барабан. Для получения волокон кварца (кремнезема) методом вытягивания необходимы температуры порядка 2100—2150 °С, так как кварцевый расплав имеет высокую вязкость. При этом необходима его защита от испарения, для чего применяется инертная атмосфера. Более широкое применение получил способ выщелачивания в разбавленных растворах минеральных кислот нитей кварцевого стекла: кварцевое стекло, его переплав, формирование стержней (стержни кварцевого стекла или штабики для образования волокна могут быть получены из смесей чистого кремнезема и связующего), образование волокна, выщелачивание, промывка волокна, термообработка для удаления кристаллизационной влаги при температуре 540 °C.
Свойства стеклянных волокон определяются их исходным составом. Для производства ЛKM особое значение имеют стеклянные волокна, покрытые слоями металлов. Такие покрытия улучшают условия формирования композитов, обеспечивают хорошую связь между волокном и матрицей, изменяют температуру плавления волокна, но еще более существенным является тот факт, что металлическое покрытие устраняет взаимодействие поверхностных дефектов с окружающей средой, которое в большой степени влияет на прочность волокон. Кроме металлов на поверхность стеклянных волокон могут быть нанесены различные химические покрытия, например, окись хрома из водного раствора. Стеклянные волокна, как и стальные, перерабатываются в сетки, а также в ткани.
Необходимо отметить, что перечисленные выше волокна в нормальных условиях при кратковременных разрушениях ведут себя как идеально упругие тела. Исключение составляют волокна кремнезема.
Керамические волокна (волокна на основе окислов, карбидов, нитрида бора и других различных соединений B4Si, B6Si, AlB2, AlB3, AlB3, TiB2) получают волочением из расплава, нанесением тонкой пленки раствора органических соединений с последующим удалением растворителя, методами порошковой металлургии (экструзией и деформацией порошковых смесей), осаждением из газовой фазы на подложку (нагретую нить), выдерживанием коллоидных растворов ZrO2, SiO2 и их смесей. Такие волокна имеют структуру беспористой керамики с неориентированными зернами, свойства которых, в частности, прочность, выше, чем у массивных образцов, но ниже, чем у монокристаллов (табл. 7).
Волокна, используемые для армирования

В отдельную группу принято выделять волокна бора, карбиды кремния, борсика и углеродные волокна, которые в настоящее время считаются наиболее перспективными для упрочнения ЛKM и по которым имеется наибольшее число публикаций.
Выше отмечалось, что железоуглеродистые волокна (проволки) ограниченно применимы для армирования матриц с температурами плавления и литья свыше 500 °С, поскольку происходит снижение прочности этих волокон из-за развития в них процессов рекристаллизации при контакте с расплавом матрицы и ее последующего затвердевания. Данный недостаток может быть устранен для некоторых видов ЛКМ, в которых армирование осуществляется дискретными волокнами. Например, для ЛКМ с медными матрицами. В исходном состоянии эти композиционные материалы армируются литыми стальными гранулами Затем заготовки подвергаются пластической деформации (прессованию, прокатке или волочению), в результате которой сферические гранулы приобретают эллиптическую форму с главной осью, перпендикулярной к направлению деформирующей нагрузки (рис. 25). В зависимости от величины деформации армирующие элементы приобретают текстуру деформации, характер которой также зависит от вида обработки. Используя различия в температурах рекристаллизации армирующих элементов и матрицы, возможно проводить различные виды термообработки волокна и матрицы. Интервал температур литья матрицы и проводимое потом ступенчатое охлаждение отливки обеспечивают проведение патентирования литых железоуглеродистых гранул перед деформацией ЛKM. Таким образом, создаются условия для упрочнения исходной литой структуры композита и в первую очередь армирующих элементов наклепом. К сожалению, измерить прочностные характеристики дискретных волокон в ЛКМ не представляется возможным. Однако результаты металлографического анализа, результаты фрактографии и высокая прочность ЛКМ (временное сопротивление разрыву таких композитов в зависимости от состава исходных гранул и матрицы составляет от 1500 до 3500 МПа) указывают на вероятность достижения требуемого эффекта.
Волокна, используемые для армирования