Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 [ 159 ] 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170

динамической совместимостью понимают способность матрицы и армирующих наполнителей находиться в состоянии термодинамического равновесия неограниченное время при температурах получения и эксплуатации. Почти все искусственно созданные композиционные материалы термодинамически несовместимы. Исключение составляют лишь несколько металлических систем (Си-W, Си-Мо, Ag-W), где нет химического и диффузионного взаимодействия между фазами прн неограниченном времени их контакта.

Кинетическая совместимость - способность компонентов композиционных материалов сохранять метастабильное равновесие в определенных температурно-временных интервалах [3]. Проблема кинетической совместимости имеет два аспекта: 1) физико-химический - обеспечение прочной связи между компонентами и ограничение на поверхностях раздела процессов растворения, гетеро- и реакционной диффузии, которые ведут к образованию хрупких продуктов взаимодействия и деградации прочности армирующих фаз и композиционного материала в целом; 2) термомеханический-достижение благоприятного распределения внутренних напряжений термического и механического происхождения и снижение их уровня; обеспечение рационального соотношения между деформационным упрочнением матрицы и ее способностью к релаксации напряжений, предупреждающей перегрузку и преждевременное разрушение упрочняющих фаз [4].

Существуют следующие возможности улучшения физико-химической совместимости металлических матриц с армирующими наполнителями:

I. Разработка новых видов армирующих наполнителей, стойких в контакте о металлом матриц при высоких температурах, например керамических волокон, нитевидных кристаллов и дисперсных частиц из карбидов кремния, титана, циркония, бора, окислов алюминия, циркония, нитридов кремния, бора и др.

П Нанесение барьерных покрытий на армирующие наполнители, например покрытий из тугоплавких металлов, карбидов титана, гафиия, бора, нитридов титана, бора, окислов иттрия на волокна углерода, бора, карбида кремния. Некоторые барьерные покрытия на волокнах, преимущественно металлические, служат средством улучшения смачивания волокон матричными расплавами, что особенно важно при получении композиционных материалов жидкофазными методами [5]. Такие покрытия часто называют технологическими

Не менее важным является обнаруженный при нанесении технологических покрытий эффект пластифицирования, проявляющийся в стабилизации и даже повышении прочности волокон (например, при алитировании волокон бора протягиванием через ванну с расплавом или при никелировании волокон углерода с последующей термической обработкой).

HI. Применение в композиционных материалах металлических матриц, легированных элементами с большим сродством к армирующему наполнителю, чем металл матрицы, или поверхностно-активными добавками. Происходящее при этом изменение химического состава границ раздела должно препятствовать развитию межфазного взаимодействия [6] Легирование матричных сплавов поверхностно-активными или карбидообразующими добавками, так же как и нанесение технологических покрытий иа волокна, может способствовать улучшению смачиваемости металлическими расплавами армирующего наполнителя.

IV. Легирование матрицы элементами, повышающими химический потенциал армирующего наполнителя в матричном сплаве, или добавками материала армирующего наполнителя до концентраций насыщения при температурах получения илн эксплуатации композиционного материала. Такое легирование препятствует растворению армирующей фазы, т. е повышает термическую стабильность композиции [7].

V. Создание «искусственных» композиционных материалов по типу «естественных» эвтектических композиций путем выбора соответствующего состава компонентов.

VI. Выбор оптимальных длительностей контактирования компонентов при том или ином процессе получения композиционных материалов или в условиях их службы, т. е. с учетом температурно-силовых факторов. Длительность контактирования, с одной стороны, должна быть достаточной для возникновения прочных адгезионных связей между компонентами; с другой стороны, не приводить к интенсивному химическому взаимодействию, образованию хрупких промежуточных фаз и снижению прочности композиционного материала.

Термомеханическую совместимость компонентов в композиционных материалах обеспечивают:

выбором матричных сплавов и наполнителей с минимальным различием в модулях упругости, коэффициентах Пуассона, коэффициентах термического расширения;

применением промежуточных слоев и покрытий иа армирующих фазах, уменьшающих различия в физических свойствах матрицы и фаз;

переходом от армирования компонентом одного вида к полиармирова-иню, т. е. сочетанию в одном композиционном материале упрочняющих волокон, частиц или слоев, различающихся по составу и физическим свойствам;

изменением геометрии деталей, схемы и масштаба армирования; морфологии, размера и объемной доли армирующих фаз; заменой непрерывного наполнителя дискретным;

выбором способов и режимов производства композиционного материала, обеспечивающих заданный уровень прочности связи его компонентов.

38.2.2. Армирующие наполнители

Для армирования металлических матриц применяют высокопрочные, высокомодульные иаполиители - непрерывные и дискретные металлические, неметаллические и керамические волокна, короткие волокна и частицы, нитевидные кристаллы (табл. 38.1).

Углеродные волокна являются одним из наиболее освоенных в производстве н перспективных армирующих материалов. Важное преимущество углеродных волокон - их низкий удельный вес, теплопроводность, близкая к металлам (Я,=83,7 Вт/{м-К)), относительно низкая стоимость.

Волокна поставляют в виде ровных или закрученных миогофиламентиых жгутов, тканей или лент из них. В зависимости от типа исходного сырья диаметр филаментов меняется от 2 до 10 мкм, количество филамеитов в жгуте - от сотен до десятка тысяч штук.

Углеродные волокна обладают высокой химической стойкостью в атмосферных условиях и минеральных кислотах. Термостойкость волокон невысокая: температура длительной эксплуатации на воздухе не превышает 300-400 °С. Для повышения химической стойкости в контакте с металлами на поверхность волокон наносят барьерные покрытия из боридов титана и циркония, карбидов титана, циркония, кремния, тугоплавких металлов [4].

Борные волокна получают осаждением бора из газовой смеси водорода и треххлористого бора иа нагреваемую до температуры 1100-1200 °С вольфрамовую проволоку или углеродные моноволокна. При нагреве иа воздухе волокна бора начинают окисляться при температурах 300-350 "С, при 600-800 °С полиостью теряют прочность. Активное взаимодействие с большинством металлов (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) начинается при температурах 400-600 °С. Для повышения термостойкости иа волокна бора наносят газофазным способом тонкие слои (2-6 мкм) карбида кремния (SiC/B/W), карбида бора (BC/B/W), нитрида бора (BN/B/W)

Волокна карбида кремния диаметром 100-200 мкм производят осаждением при 1300 °С из парогазовой смеси четыреххлористого кремния и метана, разбавленной водородом в соотношении 1:2: 10, иа вольфрамовую проволоку

СВОЙСТВА волокон и ПРОВОЛОК для АРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ композиционных МАТЕРИАЛОВ [1. 3, 4, б1

ТАБЛИЦА 38.1

Волокна металлические