Композиционные материалы

 Армирование конструкционного  материала волокнами, имеющими  большую, чем сам материал, прочность  при растяжении, обычно производится  в целях усиления способности  матрицы нести нагрузку. В таком  случае прикладываемая к системе  нагрузка воспринимается в ос­новном  высокопрочными волокнами. При  этом необходимо, чтобы между  керамикой и волокнами существовала  достаточно прочная связь. Большое  значение в данном случае имеют  коэффициенты термического расширения  керамики и металла.

 Наряду с правильно подобранной  комбинацией материалов большое  значение имеет геометрия волокон  и их ориентация в основном  материале. Расположение волокон  в материале может быть беспорядочным  или ориентированным, что и  определяет прочность композиции.

 Муллитовую, циркониевую и глиноземистую  керамику армируют, например, молибденовыми  и вольфрамовыми волокнами.

 Большой интерес представляет  также армирование керамических  покрытий. Армированные тугоплавкие  керамические покрытия благодаря  своей большой толщине защищают  подложку из конструкционного  металла гораздо лучше, чем  керамические покрытия без арматуры. В качестве армирующих элементов  с успехом применяют проволочные  сетки, гофрированные полоски  или проволоку.

 Армированные керамические  покрытия успешно используются  в качестве внутренней облицовки  камер сгорания, плазменных камер,  нагревательных печей.

 Особый интерес для многих  областей техники представляют  температуроустойчивые волокна.  Так, находят применение следующие  устойчивые неорганические волокна  с температурой плавления 1750—1800°С: кварцевые—99,9% SiO₂, кремнеземные—96—98% Si0₂, керамические каолинового состава 50% SiO₂ и 50% А12О_з. Они обеспечивают теплоизоляцию агрегатов при температурах до 1200°С (длительная эксплуатация) и даже до 2000° С (кратковременные испытания), сохраняют стабильными электрические свойства вплоть до температуры 700° С, обладают низкой теплопроводностью как при комнатной температуре, так и при 1000—1500° С.

 В последние годы ведутся  работы по получению волокон  на основе окиси алюминия.

 Разработан материал на основе  кварцевого волокна, названный  «дайнакварц» и состоящий из 99% кварцевых волокон, спрессованных  и обожженных в легковесные  полужесткие пластины или блоки.  Этот материал сохраняет стабильность  своих размеров во время длительной  вы­держки при 1500°С и кратковременной  — при 1650° С.

 Замечательным материалом для  ракетно-космической техники является  другой материал на основе  кварцевого волокна — «астрокварц», состоящий на 99,95% из SiO₂. Кварцевые волокна пропитываются фенольной смолой, затвердевающей в течение часа при 140°С и давлении 7 кГ/см2. Материал обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, высокими прочностью, пластичностью, не плавится при температурах выше 1650°С и испаряется только при 1980° С.

Дальнейшее усовершенствование технологии изготовления монокристаллических  волокон из тугоплавких материалов с высоким модулем упругости  откроет широкие перспективы  для получения сверхпрочных материалов.

 Нитевидные кристаллы могут  быть использованы в качестве  армирующих материалов подобно  стекловолокну при производстве  стеклопластиков.

8 Армирование керамики металлическим волокном

 Характерные особенности керамических  материалов — их жаропрочность,  большая тугоплавкость, высокая  прочность при сжатии и хорошая  коррозионная стойкость. Эти свойства  весьма желательны при выборе  конструкционного материала, способного  выдерживать рабочую температуру  до 1650°С и даже несколько выше. Благодаря этим свойствам керамические  материалы уже веками применяются  в металлургических и обжиговых  печах, а также в других устройствах,  где требуются огнеупорные материалы.  В наше время, предъявляют к  керамике новые требования —  высокий предел прочности при  растяжении и должное сопротивление  вибрациям, механическим и тепловым  ударам. Но керамика как раз  обладает сравнительно малой  прочностью при растяжении, недостаточной  ударной вязкостью и термостойкостью,  в чем состоит крупный недостаток  этого материала. Поэтому использование  положительных свойств керамики  в современных устройствах, работающих  при высоких температурах, предполагает  предварительное устранение этих  ее недостатков. На это и  нацелены исследования по армированию  керамики металлическим волокном.

 Из анализа недостатков керамики  непосредственно вытекает, что понятие  «армирование» надо трактовать  как упрочнение керамики в  самом широком смысле этого  слова, а не только как повышение  способности материала нести  нагрузку. Хотя в настоящей главе  рассматривается главным образом  армирование металлическим волокном, здесь же охватываются металлические  ленты и соты, поскольку их  тоже применяют для армирования  керамики.

 Армирование конструкционного  материала волокнами или нитями  из другого материала, более  прочного при растяжении, обычно  проводится в целях усиления  способности матрицы нести нагрузку. Поскольку в этом случае прикладываемая  к системе нагрузка распределяется  в основном на высокопрочные  волокна, относительно «слабая»  матрица ставится в облегченные условия. Подобное перераспределение нагрузки достигается в пневматических шинах, пластиках, армированных стекловолокном, и металлах, содержащих высокопрочные усы, что положительно сказывается на эксплуатационных качествах таких материалов. Однако введение высокопрочных волокон в относительно непрочную керамику не всегда приводит к созданию композиции с более высоким пределом прочности при растяжении, чем у самой керамики. В ряде случаев это ведет фактически к ослаблению композиции.

 Основная причина неудач  при попытках добиться повышения  прочности керамических материалов  путем армирования скрывается  в сочетании малой прочности  при растяжении с высоким модулем  упругости, присущем большинству  таких материалов. И действительно  в этом случае при напряжении  разрушения керамики удлинение  матрицы будет недостаточным  для того, чтобы передать значительную  часть нагрузки армирующим элементам,  так что композиция разрушится, если только объемное содержание  волокна не сделать исключительно  высоким. Эту трудность можно  в известной мере преодолеть  путем выбора армирующего материала  с очень высоким модулем упругости.  Другое и, возможно, более удовлетворительное  решение этой задачи сводится  к созданию предварительной напряженности  волокон в керамической матрице.  Его можно осуществить при  условии, если армирующий материал  расширяется при нагревании сильнее  матрицы. Если такую систему  перевести в «ненапряженное»  состояние при высокой температуре,  то в процессе остывания в  волокнах возникнут напряжения. Оба варианта решения требуют,  конечно, чтобы между керамикой  и волокнами существовала достаточно  прочная связь, необходимая для  должного перераспределения нагрузки.

Ударная вязкость керамики, армированной металлическими нитями, обычно намного  выше, чем у неармированной керамики. Это обусловлено совокупным действием  двух механизмов. Во-первых, волокна  воздействуют на распределение механического напряжения, уменьшая концентрацию напряжений в керамике. Во-вторых, даже если волокна не могут предохранить керамику от растрескивания под действием сильного удара, они тем не менее ограничивают распространение трещин и предотвращают катастрофическое разрушение конструкции, которая часто еще способна работать, несмотря на растрескивание.

 Подобным же образом термостойкость  керамики, армированной металлическими  нитями, намного выше, чем у неармированной  керамики, даже для композиции, в  которых возникли микро-трещины.  Металлические нити, по-видимому, обеспечивают  распределение термических напряжений  и ограничивают распространение  трещин в основном таким же  образом, как и в случае механического  удара. Интересно отметить, что  для достижения одинаковой термостойкости  в керамику необходимо ввести  в три раза больше металлического  порошка, чем волокон с от­ношением  длины к диаметру не ниже 20:1.

Армирование керамических изделий. Предметом  исследований явились металлические  армирующие элементы трех основных видов  для керамики: нарезанные волокна, металлический  войлок и сплошные сетки или металлические  нити.

 Нарезанные волокна получают  мерной резкой связок проволоки  или сплошных нитей обычно  диаметром от 25 до 150—200 мк. Например, промышленная стальная проволока  имеет диаметр до 150 мк и предел  прочности при растяжении 315 кг/мм2. Проволоки из других интересующих  нас металлов и сплавов, например  из хастеллоя-С, Рене-41, молибдена  и вольфрама, выпускаются такой  же толщины и с такой же  прочностью. К сожалению, неравномерность  трения, обусловленная несовершенствами  фильер и загрязнениями, весьма  затрудняет выпуск проволоки  диаметром менее 25 мк обычными  методами. Короткие металлические  нити, или усы, очень малых диаметров  получались, по крайней мере в  экспериментальных количествах,  различными химическими или электролитическими  методами. Однако в литературе нет сведе­ний о применении усов для армирования керамических композиций.

 Металлический войлок, как правило,  состоит из твердой упругой  стружки из стали или другого  металла длиной до 1 м. Такая  стружка, обычно многогранного  сечения, по большей части в  форме трапеции, имеет острые  кромки. Промышленные предприятия  выпускают металлический войлок  из стружки в поперечнике от 50—75 мк до 2 мм.

 Исследовались и различные  армирующие элементы из непрерывных  нитей, начиная от проволочной  сетки и кончая металлическими  сотами.

 В виде нарезанных волокон  использовались такие металлы,  как сталь, молибден, вольфрам, тантал, нихром, ниобий, Рене-41, цирконий, циркалой-2 и платина. Длина применяющегося  волокна находилась в пределах  от 76,2 до 1,6 мм, но в большинстве  случаев составляла менее 25 мм.

 Изучались различные концентрации  металлических волокон; в некоторых  композициях концентрация волокна  доводилась до 50% по объему. Улучшение  свойств при растяжении с ростом  концентрации волокна иллюстрируется  данными, полученными при армировании  электрических изоляторов вольфрамовой  проволокой диаметром 50 мк, нарезанной  па куски длиной по 3,2 мм. Весовой  состав керамики был следующим: 50% каолина, 30% кремнезема и 20% полевого  шпата F-4. Керамику подвергли обжигу  для защиты вольфрамовых волокон  от окисления в процессе изготовления. Кривые напряжение-деформация для таких композицій представлены на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 - Кривые напряжение-деформация

Если концентрация волокна превышает 40%, то сопротивление растяжению заметно  ухудшается. Снижение прочности композиции объясняется, по-видимому, тем, что с  ростом концентрации волокна плотность  композиции становится гораздо меньше теоретической.

 Рассматриваемые композиции  являют собой хороший пример  использования металлических волокон  с высоким модулем для придания  прочности при растяжении, превосходящей  прочность неармированной керамики. Хотя коэффициенты теплового  расширения волокна и матрицы  в этом случае достаточно близки  друг к другу, чтобы предотвратить  сколь-либо заметное предварительное  напряжение волокна, модуль волокна  относится к модулю керамики  приблизительно как 5:1. Поэтому  волокно оказывается в состоянии  воспринять на себя значительную  часть общего напряжения даже  при малых удлинениях, которые  допускает керамика до своего  разрушения. Конечно, эффектив­ность  волокна, даже обладающего высоким модулем, можно повысить, если его подвергнуть предварительному напряжению в матрице. Это делает долю общего напряжения, воспринимаемую волокном, еще больше, повышая тем самым предельное растягивающее напряжение композиции.

 По-видимому, существует также  определенная взаимосвязь между  концентрацией волокна и прочностью  после испытания на термостойкость.

Таблица 8.1 - Данные о прочности керамики окись алюминия – муллит при армировании волокнами вольфрама