Лекция 9. КЕРАМИЧЕСКИЕ И УГЛЕРОДНЫЕ КМ

Керамические KM (KKM) представляют собой материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических или неметаллических наполнителей.

Керамические материалы характеризуются высокими температурами плавления, высокой прочностью при сжатии, сохраняющейся при достаточно высоких температурах, и высокой стойкостью к окислению. Эти свойства керамики, и прежде всего силикатной, в течение многих веков использовались при изготовлении футеровки печей и многих огнеупорных изделий В настоящее время требования к керамике как конструкционному материалу значительно выросли. Новые виды керамики на основе высокоогнеупорных оксидов тория, алюминия, бериллия, циркония, магния, ванадия находят широкое применение в технике при экстремальных условиях эксплуатации. Достаточно сказать, что температуры плавления оксидов циркония, алюминия, бериллия, тория, магния и гафния составляют соответственно 2973, 2273, 2873, 3473, 3073 и 3111 К. Наряду с тугоплавкостью от керамики требуются высокие прочность при растяжении и ударная вязкость, стойкость к вибрациям и термоудару. Такими свойствами обладают, например, некоторые металлы. Сопоставление свойств керамики и металлов привело к попыткам создания КМ, в которых керамическая матрица сочетается с металлическими включениями в виде порошка. Так появились керметы. Сегодня керметом считают материал, со-держащий более 50 % тугоплавкой неметаллической фазы. Были созданы керметы на основе карбида титана и оксида алюминия, слюды и никеля, системы оксид алюминия - вольфрам - хром и многие другие. Однако керметы обладают одним существенным недостатком, - хрупкостью, поэтому их применение во многих случаях ограничено.

Дальнейшими исследованиями было установлено, что улучшения физико-механических характеристик керамики можно получить, армируя ее металлическими, углеродными и керамическими волокнами. Чтобы достичь одинаковой с керметом термостойкости, в керамику нужно ввести примерно в 3 раза меньше металлических волокон, чем металла в виде порошка. Для получения армированных, ККМ пользуются преимущественно методами порошковой металлургии, а также гидростатическим, изостатическим и горячим прессованием, шликерным, центробежным и вакуумным литьём.

В ККМ нагрузка переносится с малопрочной матрицы на более прочную арматуру. Однако эффект увеличения предела прочности при растяжении наблюдается у ККМ не всегда. В некоторых случаях композиция получается менее прочной, чем неармированная матрица. Объяснить это можно сочетанием в ККМ малой пластичности с высоким модулем упругости при растяжении. Из-за этого удлинения матрицы при нагружении ее до разрушения оказывается недостаточным для того, чтобы передать значительную часть нагрузки армирующим элементам. Достигнуть этого можно либо за счет подбора материала арматуры с более высоким, чем у матрицы, модулем упругости, либо за счет предварительного напряжения арматуры при условии достаточно прочной связи ее с матрицей.

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

ККМ с металлическими волокнами. Керамику чаще армируют волокнами вольфрама, молибдена, стали, ниобия. Основная цель введения в керамику металлических волокон заключается в образовании пластичной сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевременного разрушения Изготовляют такие ККМ в основном методами горячего прессования, поскольку металлические волокна не взаимодействуют с оксидной керамикой вплоть до температур 2073...2773 К. Удельная вязкость и термостойкость ККМ непрерывно повышаются по мере увеличения объема армирующих волокон в композите. Однако при содержании волокон более 25% растет пористость материала, что приводит к его разупрочнению.

Широкое применение металлических волокон для армирования керамики ограничивается их низкой стойкостью к окислению при высоких температурах.

ККМ с углеродными волокнами. Взаимодействие углерода с оксидами, карбидами и силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами, поэтому использование керамики в качестве матриц высокотем­пературных КМ с углеродным и волокнами перспективно.

В тех случаях, когда предполагаемая температура эксплуатации деталей из ККМ превышает 2273 К, целесообразно использовать керамическую матрицу на основе карбидов, выше 1273 К – на основе боридов и нитридов, при более низких температурах - оксидную матрицу.

Важным условием эффективного использования прочности углеродистых волокон в ККМ является оптимальное соотношение модулей упругости волокон и матрицы. При объемной доле углеродных волокон 50...60 % прочность волокна максимально используется при отношении модулей упругости материала и волокна, приближающемся к 0,1, поэтому для армирования керамики следует применять высокомодульные волокна.

Из углекерамических КМ наиболее широко исследованы композиты со стеклянной матрицей (боросиликатные, алюмосиликатные, литиевосиликатные и др.). Для указанных материалов характерна стабильность исходных физико-механических свойств вплоть до высоких температур. Например, для ККМ боросиликатное стекло- углеволокно (объемная доля волокна 60 %) предел прочности при изгибе составляет при 293 К 1025 МПа и не изменяется до температуры 870 К.

Следует отметить, что большое влияние на физико-механические свойства ККМ оказывает выбранный способ формования ККМ.

ККМ с волокнами карбида кремния. При практически равной прочности эти ККМ имеют преимущества перед аналогичными материалами с углеродными волокнами, так как имеют повышенную стойкость к окислению при высоких температурах и значительно меньшую анизотропию коэффициента термического расширения.

В качестве матричного материала используют порошки боросиликатного, алюмоборосиликатного, литиевоборосиликатного 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 в среде аргона слоев из лент волокна и стеклянного порошка. Более удобны с точки зрения изготовления деталей сложных форм материалы, армированные непрерывной пряжей. По своим свойствам эти материалы даже превосходят ККМ, армированные моноволокном.

Материалы типа «керамика - керамика» имеют большую перспективу, поскольку малое различие модуля упругости матрицы и наполнителя, коэффициентов термического расширения, химическое сродство позволяют рассчитывать на получе­ние материалов с уникальными свойствами, которые смогут работать до температур 2273 К. Эти композиты можно использовать для конструкций ядерных силовых установок, высокотемпературных подшипников уплотнений, для направляющих и рабочих лопаток газотурбинных двигателей, для антенных обтекателей возвращаемых космических летательных аппаратов и носовых обтекателей ракет.

Углерод - углеродные композиционные материалы (УУКМ)представляют собой углеродосодержащую или графитовую матрицу, армированную углеродным или графитовым волокном. Эти матрицы обладают как свойствами монолитного графита, так и свойствами волокнистых КМ.

Основные преимущества УУКМ состоят в высокой теплостойкости, малой плотности, стойкости к тепловому удару и облучению. Эти материалы обладают высокими прочностными и жесткостными характеристиками при обычной и повышенной температурах, низким коэффициентом термического расширения и рядом других ценных свойств. УУКМ длительно работоспособны при температурах до 773 К в окислительной среде и до 3273 К в инертной среде и вакууме.

В качестве армирующего материала наибольшее применение нашли углеграфитовые волокна, нити, жгуты и пряжа. Типовым материалом для матриц служат смолы (фенольные, фурановые, эпоксидные и др.) и каменноугольный пек - продукт крекинга угля.

В настоящее время для получения УУКМ в основном используются три способа: 1) пропитка смолой волокнистого каркаса и карбонизация, 2) осаждение углерода из газовой фазы между волокнами каркаса, 3) сочетание пропитки смолой и карбонизации с осаждением углерода из газовой фазы.

Основными этапами при первом способе технологического процесса получения УУКМ являются формование исходной заготовки методами намотки или выкладки из углепластика, полимеризация связующего, карбонизация, уплотнение пиролитическим углеродом, окончательная термическая обработка и нанесение противоокислительных покрытий на основе карбидов кремния, иридия, циркония. Полимеризация связующего осуществляется при температуре не более 473 К. При последующем пиролизе связующего происходит образование науглероженной фазы (кокса).

Чем больше выход твердых продуктов пиролиза, прочность кокса и выше его сцепление с волокнами, тем выше качество получаемого УУКМ. Если конечная температура пиролиза не превышает 1073... 1773 К, получается карбонизированный материал. В случае нагрева карбонизированного материала до 2773...3273 К происходит его графитизация. Процесс пиролиза органических матриц очень продолжителен и составляет примерно 75 ч.

Второй способ изготовления УУКМ состоит в получении заготовки из сухого волокна методом укладки, намотки, плетения, армированием ткани в третьем направлении короткими волокнами, прошивкой. В настоящее время интенсивно разрабатываются УУКМ, армированные в трех и более направлениях. Углеродные волокна собираются с помощью специальных приспособлений в соответствии со схемой ориентации волокон в блоки. Получаемые таким образом пространственно -армированные УУКМ характеризуются относительной изотропностью, низким коэффициентом термического расширения и позволяют изготавливать заготовки для получения из них деталей больших размеров.

При получении матрицы методом химического осаждения из газовой фазы применяются природный газ метан или аналогичный газообразный углеводород в комбинации с водородом или аргоном.

Этот второй способ перспективен, поскольку позволяет создавать материалы любой архитектуры с любыми наперед заданными свойствами даже послойно. Например, можно осаждать таким образом не только углерод, но и такие материалы, как цирконий, медь, тантал и др., осаждать послойно, придавая КМ различные желаемые свойства. Таким образом, полученный УУКМ в виде блока с определенной плотностью, жесткостью и т.п является полуфабрикатом, который может быть переработан в деталь методами механической обработки.

В общем случае УУКМ, полученные вторым способом, имеют большую плотность, более высокое содержание углерода, лучшие характеристики сцепления волокна с матрицей, но и большую стоимость чем УУКМ, полученный пропиткой.

 

Список рекомендуемой литературы:

1.Арзамасов Б. Н. «Новые материалы в машиностроении». М.: Машиностроение, 1983.

2.Коровский Ш. Я. «Летающие металлы» М.; Машиностроение, 1977

3.Арзамасов Б. Н. «Материалы с высокой удельной прочностью» М.; Металлургия, 1991

4.Холост А. Е., Плотонов В. А. и др. «Применение синтетических полимерных материалов в судоремонте». Серия «Судоремонт» ½ М.; В/О.

5.Корягин С. И., Розендат Б. Я. Стеклопластики в судоремонте. Серия «Судоремонт» ½. М.: В/о Мортсхинформ – реклама, 1985.

6.Лахтин Ю. М., Леонтьева В. Л. «Материаловедение». М.: Машиностроение, 1980.

7.Браутман Л., Крок Р. «Композиционные материалы» в 8-ми томах. Перевод с английского – М.: Мир, Машиностроение, 1978.