ВУЗ:
Составители:
Рубрика:
5. Оксидная связь, возникающая на границе раздела металлической
матрицы и оксидного наполнителя (Ni-Al
2
0
3
) благодаря образованию сложных
оксидов типа шпинели и др.;
6. Смешанная связь, реализуемая при разрушении оксидных пленок и
возникновении химического и диффузионного взаимодействий компонентов
(А1-В, А1-сталь).
Для качественного соединения волокон с матрицей необходимо прежде
всего обеспечить хороший контакт (без загрязнений, газовых и других
включений) по всей поверхности соединений. КМ относятся в основном к
термодинамически неравновесным системам, что является главной причиной
диффузионных процессов и химических реакций, происходящих на границе
раздела между волокном и матрицей. Эти процессы протекают при
использовании КМ и при их использовании. Некоторое взаимодействие между
компонентами необходимо для обеспечения прочной связи между ними,
передачи напряжений.
Для металлических КМ прочная связь между волокном и матрицей
осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого
слоя (1-2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет
взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его
обеспечения, но прослойки образующейся при этой фазе, должны быть очень
тонкими.
Связь между компонентами в КМ на неметаллической основе
осуществляется с помощью адгезии. Плохой адгезией к матрице обладают
высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение
сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон,
называемой вискеризацией. Вискеризация - это выращивание монокристаллов
карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон
перпендикулярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна
бора называют «борсик». Вискеризация способствует повышению сдвиговых
характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения
свойств вдоль оси волокна. Так, увеличение объемного содержания нитевидных
кристаллов до 4-8 % повышает сдвиговую прочность в 1,5-2 раза, модуль
упругости и прочность при сжатии на 40-50 %.
На поверхности соединения компонентов не должно происходить
химических реакций, приводящих к повреждению волокон, ухудшению их
свойств и свойств КМ. При сильном взаимодействии компонентов временное
сопротивление волокон и КМ в целом значительно снижается. Например,
временное сопротивление волокон карбида кремния в КМ с титановой
матрицей в результате такого взаимодействия снизилось с 320 до 210 МПа, что
вызвало снижение временного сопротивления КМ на 30 %. Для уменьшения
взаимодействия применяют легирование как матриц, так и волокон, защитные
покрытия волокон, низкотемпературные и высокоскоростные способы
изготовления КМ.
Кроме того, прочность сцепления между компонентами зависит от
механической совместимости, на которую влияет разница в пластических
20
Структура и свойства углеродных волокон в большей степени зависят
также от температуры термической обработки синтетических волокон (рис 4.3).
Кроме того, прочность углеродных волокон сильно зависит от наличия таких
дефектов, как пустоты, трещины. Она значительно снижается, если размеры
дефектов превышают 0,05 мкм. При нагреве выше 450 °С на воздухе
углеродные волокна окисляются, в восстановительной и нейтральной среде
сохраняют свои механические свойства до 2200 °С.
Рис. 4.3. Влияние температуры графитизации на свойства углеродного волокна
К другим достоинствам углеродных волокон относятся высокая
теплопроводность, электрическая проводимость, коррозионная стойкость,
стойкость к тепловым ударам, низкие коэффициенты трения и линейного
расширения; к недостаткам относятся плохая смачиваемость расплавленными
материалами, используемыми в качестве матриц. Для улучшения
смачиваемости и уменьшения химического взаимодействия с матрицей на
углеродные волокна наносят покрытия. Хорошие результаты в контакте с
алюминиевой матрицей показывают покрытия из боридов титана и циркония.
Керамические волокна оксидов, нитридов, карбидов характеризуются
высокими твердостью, прочностью, модулем упругости, относительно
небольшой плотностью и высокой термической стабильностью.
Из табл. 4.1 видно, что особо высокие прочность и жесткость присущи
нитевидным монокристаллам («усам»). Высокая прочность объясняется
совершенством их структуры, для которой характерна очень малая плотность
дислокаций. Доказано, что скручивание усов в процессе образования
25
монокристаллов
вызвано наличием в них единственной винтовой
дислокации, расположенной вдоль оси роста кристаллов.
Стекловолокно характеризуется сочетанием высокой прочности
теплостойкости, диэлектрических свойств, низкой
теплопроводности, высокой коррозионной стойкости. Стекловолокно получают
продавливанием стекломассы через специальные фильтры или вытягиванием из
расплава. Изготавливаются два вида стекловолокна: непрерывное - диаметром
