книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

кокса и сокращается время изготовле­ ния УУКМ. Уплотнение под высоким давлением отличается от пропитки при низком давлении только дополнитель­ ным давлением при карбонизации. При подготовке процесса уплотнения под высоким давлением пропитку заготовок

проводят, как правило, горячим пеком. Рис. 1.37. Характерный Твердый пек расплавляют в вакууме в цикл графитизации

емкости, нагретой до 250 °С; заготовки (т.е. армирующие каркасы), помещен­

ные в металлические контейнеры, нагревают в вакууме до такой же температуры в емкости, расположенной рядом. Горячий жидкий пек через трубы, соединяющие обе емкости, продав­ ливается азотом в контейнеры с заготовками. Когда заготовки полностью погружены в горячий жидкий пек, свободный объем емкости с заготовками заполняют азотом для выравнивания давления и прекращения подачи пека. Контейнеры с пропи­ танными жидким пеком заготовками, подготовленными для карбонизации под давлением, закрывают герметичными метал­ лическими крышками. Обработку под высоким давлением про­ водят при изостатическом давлении в автоклаве или в специ­ альных газостатах (рис. 1.38). Изостатическое давление, при­ ложенное к тонкому металлическому контейнеру, передается на расплавленный пек. При повышенных температурах этот металлический контейнер действует, по существу, как “рези­ новый мешок” Схематически последовательность процесса давление—пропитка—карбонизация изображена на рис. 1.39.

После обработки под давлением заготовки удаляют из ме­ таллических контейнеров и подвергают графитизации с регу­ лируемой скоростью нагрева. Полный цикл обработки повто­ ряют до достижения требуемой плотности композита. При этом продолжительность процесса составляет всего 7... 14 ч, а во многих случаях удается получить заготовку за один цикл. В этом и заключается преимущество данного метода.

Способ осаждения пироуглерода из газовой фазы. Заключается в разложении газообразных углеводородов (метана, бензола, ацетилена и т.п.) или смеси углеводородов с разбавляющим газом (инертным газом или водородом) под действием высоких

Для объемного насыщения каркаса и получения толстостенных заготовок (блоков) приме­ няют цеизотермический метод или метод термических гради-

ентов. Заготовку в этом случае раз­ мещают на обогреваемой оправкесердечнике или металлическом стержне, через который пропуска­ ют ток (рис. 1.41). Углеводородный газ подается со стороны печи, имеющей более низкую температу­ ру. В результате такого градиента температур осаждение пироуглеро­ да происходит в наиболее горячей зоне, т.е. в области сердечника или стержня. Повышая температуру

ристики УУКМ, измереннные При з - изделие; 4 -термопара; 5 - комнатной температуре, представ- ввод углеводорода; 6 - выход лены в табл. 1.24. Однако эти по- продуктов реакции

казатели дают самое общее пред­ ставление о возможностях УУКМ, поскольку современные дан­

ные не позволяют сделать точную количественную оценку вли­ яния Схем укладки типа матрицы, метода изготовления на механические и тепловые характеристики УУКМ.

1.7. Керамические композиционные материалы

Керамические композиционные материалы представляют собой материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических и неметаллических наполнителей.

Керамические материалы характеризуются высокими тем­ пературами плавления, прочностью при сжатии, сохраняющей­ ся при достаточно высоких температурах, и стойкостью к окис­ лению. Эти свойства керамики, и прежде всего, силикатной, в течение многих веков использовались при изготовлении футе­ ровки печей и многих огнеупорных изделий. В настоящее время требования к керамике как конструкционному материалу зна­ чительно выросли. Новые виды керамики на основе высоко­ огнеупорных оксидов тория, алюминия, бериллия, циркония, магния, ванадия находят широкое применение в технике при экстремальных условиях эксплуатации. Достаточно сказать, что температуры плавления оксидов циркония, алюминия, берил­ лия, тория, магния и гафния составляют 2973, 2273, 2873, 3473, 3073 и 3111 К соответственно. Наряду с тугоплавкостью кера­ мика обладать высокой прочностью при растяжении и ударной вязкостью, стойкостью к вибрациям и термоудару. Такие свой­ ства присущи, например, некоторым металлам. Сопоставление свойств керамики и металлов привело к попыткам создания КМ, в которых керамическая матрица сочетается с металли­ ческими включениями в виде порошка. Так, появились керметы. Сегодня керметом считают материал, содержащий более 50 % тугоплавкой неметаллической фазы. Были созданы керметы на основе карбида титана и оксида алюминия, слюды и никеля, оксида системы алюминий—вольфрам—хром и многие другие. Однако керметы обладают существенным недостат­ ком —хрупкостью, поэтому их применение во многих случаях ограничено.

Дальнейшими исследованиями было установлено, что улуч­ шения физико-механических характеристик керамики можно получить, армируя ее металлическими, углеродными и керами­ ческими волокнами. Чтобы достичь одинаковой с керметом термостойкости, в керамику нужно ввести примерно в три раза меньше металлических волокон, чем металла в виде порошка. Для получения армированных ККМ пользуются преимущест­

венно методами порошковой металлургии, а также гидроста­ тическим, изостатическим и горячим прессованием, шликерным, центробежным и вакуумным литьем. В настоящее время в стадии освоения находится взрывное и гидродинамическое прессование.

В ККМ нагрузка перераспределяется с малопрочной мат­ рицы на более прочную, арматуру, однако увеличение предела прочности при растяжении наблюдается у ККМ не всегда. В некоторых случаях композиция получается менее прочной, чем неармированная матрица. Объяснить это можно сочетанием ККМ малой пластичности с высоким модулем упругости при растяжении. Вследствие этого удлинения матрицы при нагру­ жении ее до разрушения оказывается недостаточным для того, чтобы передать значительную часть нагрузки армирующим эле­ ментам. Достигнуть этого можно либо за счет подбора мате­ риала арматуры с более высоким, чем у матрицы, модулем упругости, либо за счет предварительного напряжения армату­ ры при условии достаточно прочной связи ее с матрицей.

Важен и вопрос ориентации армирующих волокон в кера­ мике. Они могут располагаться в матрице как направленно, так и хаотично. Схема ориентации волокон в матрице определяется условиями нагружения детали при эксплуатации.

Композиционные материалы с металлическими волокнами

Керамику чаще армируют волокнами вольфрама, молибде­ на, стали, ниобия. Основная цель введения в керамику метал­ лических волокон заключается в образовании пластической сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевре­ менного разрушения. Изготавливают такие ККМ в основном методами горячего прессования и шликерного литья, поскольку металлические волокна не взаимодействуют с оксидной кера­ микой вплоть до температур 2073...2773 К. Удельная вязкость и термостойкость ККМ непрерывно повышаются по мере уве­ личения содержания армирующих волокон в композите. Одна­ ко при содержании волокон более 25 % возрастает пористость материала, что приводит к его разупрочнению.

при высоких температурах и значительно меньшую анизотро­ пию коэффициента термического расширения.

В качестве матричного материала используют порошки бо­ росиликатного, алюмоборосиликатного, литиево-боросиликат­ ного стекла или смеси стекол в различных соотношениях. Волокна карбида кремния применяют в виде моноволокна или непрерывной пряжи со средним диаметром отдельных волокон 10...12 мкм.

ККМ, армированные моноволокном, получают горячим прессованием слоев из лент волокна и стеклянного порошка в среде аргона. Они удобны с точки зрения изготовления деталей сложных форм из материалов, армированных непрерывной пряжей. По своим свойствам эти материалы даже превосходят ККМ, армированные моноволокном.

Материалы типа керамика-керамика имеют большую пер­ спективу, поскольку малое различие модулей упругости матри­ цы и наполнителя, КЛТР, химическое сродство позволяют рассчитывать на получение материалов с уникальными свой­ ствами, которые смогут работать до температур 2073 К. Эти композиты можно использовать для конструкций ядерных си­ ловых установок, высокотемпературных подшипников уплот­ нений, направляющих и рабочих лопаток газотурбинных дви­ гателей, антенных обтекателей возвращаемых космических ЛА и носовых обтекателей ракет.

1.8. Гибридные композиционные материалы

Гибридными композиционными материалами называют ма­ териалы, содержащие в своем составе три или более компо­ нентов, регулирующие свойства композитов. Полиматричными (или гетероматричными) называют материалы, состоящие из двух или более матричных компонентов, отделенных один от другого поверхностями раздела, причем армирующие волокна могут сохранять непрерывность на границе раздела матриц. Полиармированные (поливолокнистые) КМ состоят из одной матрицы с распределенными в ней армирующими компонен­ тами различных видов.

Возможны различные варианты сочетаний непрерывных ар­ мирующих волокон: создание гетероволокнистых материалов по принципу однородных смесей — волокна различных типов рав­ номерно распределяются в первичной нити, ленте или жгуте (рис. 1.43, л); использование многокомпонентного армирующего материала —ткани, мата или шпона из различных нитей и жгутов (рис. 1.43, б); чередование слоев листовых армирующих мате­ риалов с различными волокнами по слоям (рис. 1.43, в).

щттщ

|1п 1Г 1Г п1г

т т ш /ш

Рис. 1.43. Варианты гибридных структур:

а—гетероволокнистые нити; б —многокомпонентные ткани;

в- слоистые ГКМ

Для армирования могут быть использованы любые волок­ нистые наполнители. Они обеспечивают повышение показате­ лей прочностных и упругих свойств композитов, в том числе и при многократных (циклических) нагрузках, повышение термо- и химической стойкости, изменение электрофизических характеристик и т.д. Большинство этих свойств композицион­ ного материала определяется соответствующими показателями самих волокон.

Существует две основные причины, приводящие к необхо­ димости использования гибридных композитов: включение во­ локон, превосходящих по каким-либо параметрам другие во­ локна, входящие в композит, помогает ликвидировать недо­ статки этих волокон; снижение цены получаемого ГКМ.

КЛТР у стеклоуглепластиков и органоуглепластиков может не зависеть от температуры в диапазоне от —120 до +160 °С (рис. 1.44), тогда как у обычного стеклопластика и углепластика