3.3. Армирующие элементы

Армирующие элементы - важнейшие компоненты компо­зиционных материалов. Для армирования композитов исполь­зуются тысячи материалов в различном структурном состоянии. Химический состав, структурное состояние и геометриче­ские параметры армирующих элементов определяются требо­ваниями, предъявляемыми к материалу. Большое значение име­ет тип матрицы, выбранной для изготовления композиционного материала.

Для производства полимерных композиционных мате­риалов чаще применяют стеклянные, углеродные, борные и ор­ганические волокна. Сравнительная характеристика волокон этого типа приведена в табл. 19. При создании композитов с ме­таллической матрицей в качестве арматуры применяются тон­кие стальные проволоки, проволоки из вольфрама, бериллия, ниобия, титана и других металлов.

Ниже приводятся особенности изготовления различного ти­па волокон и их применения в композиционных материалах.

3.3.1. Металлические волокна

Одним из наиболее экономичных типов упрочняющих элементов в композиционных материалах является металличе­ская проволока. Производство металлической проволоки пред­ставляет собой хорошо отлаженный технологический процесс. Получают ее методом волочения. Свойства металлической проволоки разных сортов позволяют эффективно использовать ее при производстве композитов. По сравнению с другими видами волокон металлическая прово­лока более технологична. С помощью текстильных методов проволока малых диаметров может быть переработана в сетки, используемые для упрочнения композиционных материалов.

Для упрочнения композиционных материалов часто ис­пользуется проволока из высокоуглеродистых и низколегиро­ванных сталей, нержавеющих, мартенситно-стареющих сталей, вольфрама, молибдена, титана, ниобия, других металлов и сплавов.Сравнительная характеристика волокон, используемых при производстве композиционных материалов

При температуре эксплуатации композитов в диапазоне 11 ...623 К эффективно применение высокопрочной проволоки из нержавеющих сталей. Благодаря относительно высокой теп­лостойкости и наличию пассивной поверхности проволоки из нержавеющих сталей слабо взаимодействуют с матричными ма­териалами.

Применение проволоки из мартенситно-стареюхцих сталей эффективно в качестве упрочнителя при производстве компо­зиционных материалов на основе легких металлов и сплавов. Упрочнение мартенситно-стареющих сталей происходит в ре­зультате процесса старения при температурах ~ 480...500 °С. Если процесс формирования композиционного материала проводить при этих температурах или близких к ним, механиче­ские свойства мартенситно-стареющей проволоки будут наи­более высокими. Проволока из углеродистой стали при темпе­ратурах формирования композиционных материалов на основе алюминия и других легких металлов разупрочняется.

Высокопрочная стальная проволока чувствительна к дефек­там внутреннего строения и поверхностным дефектам. Поэтому с увеличением длины проволоки средний уровень ее прочности снижается.

При производстве композиционных материалов металли­ческая проволока используется в виде отдельных волокон или сеток. Тканые сетки можно изготавливать только из высокопла­стичных материалов, обладающих, как правило, низкими проч­ностными свойствами. Другой их недостаток заключается в образовании пережимов в местах контакта проволоки основы и проволоки утка.

Недостатков, присущих тканым металлическим сеткам, лишены вязаные сетки трикотажного плетения. Различают сет­ки типа «кулирная гладь», «ластик», «фанг», «полуфанг». Для изготовления сеток трикотажного плетения пригодны высоко­прочные проволоки с малыми значениями относительного удли­нения (2...3 %) диаметром 20...200 мкм. Объемная структура сеток обеспечивает малый уровень контактных напряжений, в результа­те чего разрушение сеток происходит не в местах контакта прово­лочек, а по их длине.

При получении композитов на основе меди, никеля, ко­бальта, титана и их сплавов в качестве упрочняющих волокон используют вольфрамовую и молибденовую проволоки, харак­теризующиеся высокой прочностью и жесткостью. По величи­не модуля упругости вольфрам уступает только осмию, иридию и рению. Высокие прочностные свойства вольфрама и молиб­дена проявляются как при комнатной, так и при повышенных температурах.

Технологические процессы получения этих видов прово­локи основаны на использовании в качестве исходного сырья порошков вольфрама и молибдена. Основными стадиями при изготовлении вольфрамовой проволоки являются: восстановле­ние водородом вольфрама из оксида; прессование порошка вольфрама и получение заготовок в виде штабиков; спекание штабиков в атмосфере водорода; глубокий прогрев с целью сварки штабиков при температуре, близкой к температуре плав­ления; ротационная ковка с целью получения компактной прут­ковой заготовки; волочение заготовки на цепных волочильных станах; волочение проволоки на барабанных волочильных ста­нах. Минимальный размер вольфрамовой проволоки составляет ~ 20 мкм. Вольфрамовая и молибденовая проволока диаметром 20...80 мкм используется для изготовления тканых и трикотаж­ных сеток.

При создании металлических композиционных материалов наиболее важно достичь термодинамической совместимости компонентов, т. е. отсутствия диффузионного и химического взаимодействия между волокном и матрицей. Количество сис­тем с термодинамической совместимостью компонентов огра­ничено. Наиболее активное взаимодействие между волокном и матрицей происходит при реализации жидкофазных способов получения металлических композиционных материалов. Кроме того, активное взаимодействие компонентов имеет место при эксплуатации композиционных материалов при высоких тем­пературах.

Металлические композиты на основе никелевой матрицы, упрочненной вольфрамовыми и молибденовыми волокнами, предназначены для работы при 1000...1200 °С. При этих темпе­ратурах термодинамическая стабильность системы отсутству­ет, происходит нежелательное взаимодействие между компо­нентами композиционных материалов. Повысить стабильность межфазных границ (между волокном и матрицей) можно нане­сением на волокна противодиффузионных покрытий. Для вольфрамовых и молибденовых волокон в качестве такого рода защитных покрытий рекомендуют использовать нитрид титана, оксиды тория, алюминия и циркония.

Высокими значениями удельной прочности и высокой коррозионной стойкостью обладает титановая проволока. Пре­дел прочности проволоки диаметром 800 мкм, изготовленной из сплава ВТ9, составляет 1820 МПа. В композиционных ма­териалах титановая проволока применяется в виде непрерывных и дискретных волокон.

В композиционных материалах может быть использова­на также биметаллическая проволока. Объемная доля плаки­рующего слоя в ней может достигать 20...40 %. Технология из­готовления проволоки такого типа заключается в получении (литьем, сваркой, пайкой, металлизацией, гальваническим оса­ждением) биметаллической заготовки и последующем ее воло­чении. Механические свойства биметаллической проволоки определяются типом используемых материалов и их соотноше­нием. При изготовлении композитов такая проволока использу­ется в виде волокон, сеток и как полуфабрикат для получения композиционных материалов укладкой с последующим уплот­нением взрывом, сваркой, прессованием.

Разработаны и другие технологические процессы, позво­ляющие получать металлические волокна. Один из них основан на получении расплава и продавливании его через отверстия.