Seda tüüpi komposiitmaterjalide hulka kuuluvad sellised materjalid nagu SAP (paagutatud alumiiniumpulber), mis on alumiiniumist tugevdatud alumiiniumoksiidi hajutatud osakestega. Alumiiniumipulber saadakse sulametalli pihustamisel, millele järgneb jahvatamine kuulveskis hapniku juuresolekul umbes 1 mikroni suuruseni. Jahvatamise kestuse pikenemisega muutub pulber peenemaks ja alumiiniumoksiidi sisaldus selles suureneb. Täiendav SAP-i toodete ja pooltoodete tootmise tehnoloogia hõlmab paagutatud alumiiniumtooriku külmpressimist, eelpaagutamist, kuumpressimist, valtsimist või ekstrudeerimist valmistoodeteks, mida saab täiendavalt kuumtöödelda.
SAP-tüüpi sulameid kasutatakse lennutehnoloogias kõrge eritugevuse ja korrosioonikindlusega detailide valmistamiseks, mis töötavad temperatuuridel kuni 300–500 °C. Nendest valmistatakse kolvivardad, kompressori labad, kütuseelementide kestad ja soojusvaheti torud.
Alumiiniumi ja selle sulamite tugevdamine terastraadiga suurendab nende tugevust, suurendab elastsusmoodulit, väsimuskindlust ja laiendab materjali temperatuurivahemikku.
Lühikeste kiududega tugevdamine toimub pulbermetallurgia meetoditega, mis seisnevad pressimises, millele järgneb toorikute hüdroekstrusioon või valtsimine. Vahelduvatest kihtidest koosnevate sandwich-tüüpi kompositsioonide pidevate kiududega tugevdamisel alumiiniumfoolium ja kasutatakse kiude, valtsimist, kuumpressimist, plahvatuskeevitust, difusioonkeevitust.
Väga paljulubav materjal on koostis "alumiinium-berülliumtraat", mis rakendab berülliumarmatuuri kõrgeid füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi ning ennekõike selle madalat tihedust ja suurt erijäikust. Berülliumtraadiga kompositsioonid saadakse berülliumtraadi ja maatrikslehtede vahelduvatest kihtidest pakkide difusioonkeevitamisel. Teras- ja berülliumtraatidega tugevdatud alumiiniumsulameid kasutatakse raketi keredetailide ja kütusepaakide valmistamiseks.
Kompositsioonis "alumiinium-süsinikkiud" võimaldab madala tihedusega tugevduse ja maatriksi kombinatsioon luua kõrge eritugevuse ja jäikusega komposiitmaterjale. Süsinikkiudude puuduseks on nende haprus ja kõrge reaktsioonivõime. Kompositsioon "alumiinium-süsinik" saadakse süsinikkiudude immutamisel vedela metalliga või pulbermetallurgia meetoditega. Tehnoloogiliselt on kõige lihtsam tõmmata süsinikkiudude kimbud läbi alumiiniumsulami.
Komposiiti "alumiinium-süsinik" kasutatakse kaasaegsete hävitajate kütusepaakide kujundamisel. Materjali suure eritugevuse ja jäikuse tõttu väheneb kütusepaakide mass võrra
kolmkümmend %. Seda materjali kasutatakse ka lennukite gaasiturbiinmootorite turbiinilabade valmistamiseks.
Metallmaatriksiga komposiitmaterjalid. Kõrgematel temperatuuridel töötamiseks kasutatakse metallmaatriksit.
Metallist CM-del on polümeeridega võrreldes mitmeid eeliseid. Lisaks kõrgemale töötemperatuurile iseloomustab neid parem isotroopsus ja omaduste suurem stabiilsus töö ajal, suurem erosioonikindlus.
Metallmaatriksite plastilisus annab struktuurile vajaliku viskoossuse. See aitab kaasa kohalike mehaaniliste koormuste kiirele ühtlustamisele.
Metallist CM-de oluliseks eeliseks on tootmisprotsessi, vormimise, kuumtöötluse, vuukide ja katete moodustamise suurem valmistatavus.
Metallipõhiste komposiitmaterjalide eeliseks on maatriksi omadustest sõltuvate omaduste kõrgemad väärtused. Esiteks on need tõmbetugevus ja elastsusmoodul pinges armeerimiskiudude teljega risti, surve- ja paindetugevus, plastilisus ja purunemistugevus. Lisaks säilitavad moma tugevusomadused kõrgematele temperatuuridele kui mittemetallilise alusega materjalid. Need on niiskuskindlamad, mittesüttivad, elektrijuhtivusega.Metallist CM-de kõrge elektrijuhtivus kaitseb neid hästi elektromagnetiline kiirgus, välk, vähendab staatilise elektri ohtu. Metalli CM kõrge soojusjuhtivus kaitseb kohaliku ülekuumenemise eest, mis on eriti oluline selliste toodete puhul nagu raketi otsad ja tiibade esiservad.
Metallkomposiitmaterjalide maatriksite lootustandvamad materjalid on madala tihedusega metallid (A1, Mg, Ti) ja nendel põhinevad sulamid, samuti nikkel, mida praegu kasutatakse laialdaselt kuumakindlate sulamite põhikomponendina.
Komposiite saadakse erinevatel meetoditel. Nende hulka kuuluvad kiukimbu immutamine vedela alumiiniumi ja magneesiumi sulatitega, plasmapihustamine, kuumpressimismeetodite kasutamine, millele mõnikord järgneb hüdroekstrusioon või toorikute valtsimine. Pidevate kiududega tugevdamisel kasutatakse vahelduvatest alumiiniumfooliumi ja kiudude kihtidest koosnevaid võileivakompositsioone, valtsimist, kuumpressimist, plahvatuskeevitust ja difusioonkeevitust. Kõrgtugevate kiududega tugevdatud vardade ja torude valamine saadakse vedelast metallifaasist. Kiukimp läbib pidevalt sulavanni ja immutatakse rõhu all vedela alumiiniumi või magneesiumiga. Impregneerimisvannist lahkudes ühendatakse kiud ja juhitakse läbi ketrus, moodustades varda või toru. See meetod tagab komposiidi maksimaalse täitumise kiududega (kuni 85%), nende ühtlase jaotumise ristlõige ja protsessi järjepidevus.
Materjalid alumiiniummaatriksiga. Alumiiniummaatriksiga materjale tugevdatakse peamiselt terastraadiga (SAS), boorkiuga (VKA) ja süsinikkiuga (VKU). Maatriksina kasutatakse nii tehnilist alumiiniumi (näiteks AD1) kui ka sulameid (AMg6, V95, D20 jne).
Kuumtöötlemisel (karastamisel ja vanandamisel) karastatud sulami (näiteks B95) kasutamine maatriksina annab kompositsiooni tugevdava lisaefekti. Kuid kiu telje suunas on see väike, samas kui ristisuunas, kus omadused määravad peamiselt maatriksi omadused, ulatub see 50% -ni.
Odavaim, üsna tõhus ja taskukohane tugevdusmaterjal on ülitugev terastraat. Seega suurendab kaubandusliku alumiiniumi tugevdamine VNS9 terasest traadiga, mille läbimõõt on 0,15 mm (σ in = 3600 MPa), selle tugevust 10-12 korda kiu mahusisaldusega 25% ja 14-15 korda sisalduse suurendamine 40% -ni, mille järel ajutine takistus ulatub vastavalt 1000-1200 ja 1450 MPa. Kui armatuuriks kasutada väiksema läbimõõduga, st suurema tugevusega traati (σ in = 4200 MPa), tõuseb komposiitmaterjali tõmbetugevus 1750 MPa-ni. Seega ületab terastraadiga tugevdatud alumiinium (25-40%) oluliselt põhiomadustelt isegi ülitugevaid alumiiniumisulameid ja saavutab titaanisulamite vastavate omaduste taseme. Kompositsioonide tihedus jääb vahemikku 3900-4800 kg/m3.
Alumiiniumi ja selle sulamite tugevdamine kallimate kiududega B, C, A1 2 O e suurendab komposiitmaterjalide maksumust, kuid mõned omadused paranevad tõhusamalt: näiteks boorkiududega tugevdamisel suureneb elastsusmoodul 3- 4 korda aitavad süsinikkiud vähendada tihedust. Boor nõrgeneb temperatuuri tõustes vähe, mistõttu boorkiududega tugevdatud kompositsioonid säilitavad kõrge tugevuse kuni 400–500 °C. Materjal, mis sisaldab 50 mahuprotsenti pidevaid ülitugevaid ja suure mooduliga boorkiude (VKA-1), on leidnud tööstuslikku tööd. rakendus. Temperatuurivahemikus 20-500°C ületab see elastsusmooduli ja tõmbetugevuse poolest kõiki standardseid alumiiniumisulameid, sealhulgas ülitugevaid (B95) ja sulameid, mis on spetsiaalselt ette nähtud tööks kõrgetel temperatuuridel (AK4-1), mis on selgelt näidatud joonisel fig. 13.35. Materjali kõrge summutusvõime tagab sellest valmistatud konstruktsioonide vibratsioonikindluse. Sulami tihedus on 2650 kg/m 3 ja eritugevus 45 km. See on oluliselt kõrgem kui kõrgtugevate teraste ja titaanisulamite puhul.
Arvutused näitasid, et V95 sulami asendamine titaanisulamiga VKA-1 tugevduselementidega lennukitiiva varre valmistamisel suurendab selle jäikust 45% ja säästab kaalust umbes 42%.
Komposiitmaterjalid alumiiniumipõhised süsinikkiuga tugevdatud (CFC) materjalid on odavamad ja kergemad kui boorkiudmaterjalid. Ja kuigi nad on tugevuselt viimastele madalamad, on neil lähedane eritugevus (42 km). Süsinikõvendiga komposiitmaterjalide valmistamine on aga seotud suurte tehnoloogiliste raskustega, kuna kuumutamisel toimub süsiniku ja metallmaatriksite vastasmõju, mis põhjustab materjali tugevuse vähenemist. Selle puuduse kõrvaldamiseks kasutatakse spetsiaalseid süsinikkiudude katteid.
Magneesiummaatriksiga materjalid. Magneesiumimaatriksiga (MCM) materjale iseloomustab madalam tihedus (1800-2200 kg/m3) kui alumiiniumiga, ligikaudu sama suur tugevus 1000-1200 MPa ja seetõttu suurem eritugevus. Boorkiuga (50 mahu%) tugevdatud sepistatud magneesiumisulamite (MA2 jne) eritugevus on > 50 km. Magneesiumi ja selle sulamite hea kokkusobivus boorkiuga võimaldab ühest küljest valmistada osi immutamise teel, ilma et oleks vaja mehaaniline töötlemine teisest küljest tagab see osadele pika tööea kõrgel temperatuuril. Nende materjalide eritugevust suurendavad kerge liitiumiga legeeritud sulamite kasutamine maatriksina, samuti kergema süsinikkiu kasutamine. Kuid nagu varem mainitud, muudab süsinikkiu kasutuselevõtt niigi madaltehnoloogiliste sulamite tehnoloogia keeruliseks. Nagu teada, on magneesiumil ja selle sulamitel madal tehnoloogiline elastsus ja kalduvus moodustada lahtist oksiidkilet.
Titaanil põhinevad komposiitmaterjalid. Titaanipõhiste komposiitmaterjalide loomisel on raskusi kõrge temperatuurini kuumutamise vajadus. Kõrgel temperatuuril muutub titaanmaatriks väga aktiivseks; omandab gaasi neeldumisvõime, interaktsiooni paljude kõvenditega: boor, ränikarbiid, alumiiniumoksiid jne. Selle tulemusena moodustuvad reaktsioonitsoonid, väheneb nii kiudude endi kui ka komposiitmaterjalide tugevus tervikuna. Ja lisaks põhjustavad kõrged temperatuurid paljude tugevdusmaterjalide ümberkristalliseerumist ja pehmenemist, mis vähendab armatuuri tugevdavat toimet. Seetõttu on materjalide tugevdamiseks titaanmaatriksiga traat, mis on valmistatud berülliumist ja tulekindlate oksiidide (A1 2 0 3) keraamilistest kiududest, karbiididest (SiC), aga ka kõrge elastsusmooduli ja kõrge ümberkristallimistemperatuuriga tulekindlatest metallidest ( Mo, W) kasutatakse. Pealegi ei ole armatuuri eesmärk peamiselt mitte niigi kõrge eritugevuse suurendamine, vaid elastsusmooduli tõstmine ja töötemperatuuride tõstmine. Mo-, Be- ja SiC-kiududega tugevdatud titaanisulami VT6 (6% A1, 4% V, ülejäänud A1) mehaanilised omadused on esitatud tabelis. 13.9. Nagu näha alates. tabelis, kõige tõhusam erijäikus suureneb, kui tugevdada ränikarbiidkiududega.
VT6 sulami tugevdamine molübdeentraadiga aitab säilitada elastsusmooduli kõrgeid väärtusi kuni 800 °C. Selle väärtus sellel temperatuuril vastab 124 GPa-le, st väheneb 33%, samas kui tõmbetugevus väheneb 420 MPa-ni. , st rohkem kui 3 korda.
Nikli baasil põhinevad komposiitmaterjalid. Kuumuskindlad CM-d on valmistatud keraamika (SiC, Si 3 Ni 4, Al 2 O 3) ja süsinikkiududega tugevdatud nikli- ja koobaltisulamite baasil. Niklipõhiste komposiitmaterjalide (NBC) loomise peamine ülesanne on tõsta töötemperatuuri üle 1000 °C. Ja üks parimaid metallikõvendajaid, mis suudab nii kõrgetel temperatuuridel head tugevust pakkuda, on volframtraat. Volframtraadi lisamine koguses 40 kuni 70 mahuprotsenti nikli ja kroomi sulamisse annab tugevuse 1100 °C juures 100 tunniks, vastavalt 130 ja 250 MPa, samas on parim tugevdamata niklisulam, mis on mõeldud kasutamiseks sarnastes tingimustes, selle tugevus on 75 MPa. Reeniumi või hafniumiga volframisulamitest valmistatud traadi kasutamine tugevdamiseks suurendab seda näitajat 30–50%.
Komposiitmaterjale kasutatakse paljudes tööstusharudes ja eelkõige lennunduses, raketi- ja kosmosetehnoloogia, kus konstruktsioonide massi vähendamine koos tugevuse ja jäikuse samaaegse suurenemisega on eriti oluline. Tänu nende kõrgetele eritugevus- ja jäikusomadustele kasutatakse neid näiteks horisontaalsete stabilisaatorite ja lennukiklappide, propelleri labade ja helikopterite konteinerite, reaktiivmootorite kerede ja põlemiskambrite jms valmistamisel. Komposiitmaterjalide kasutamine lennuki konstruktsioonides on vähendanud nende kaalu 30-40%, suurendanud kandevõimet kiirust ja ulatust vähendamata.
Praegu kasutatakse komposiitmaterjale jõuturbiinide ehituses (turbiinilabad ja düüside labad), autotööstuses (autode ja külmikute kered, mootoriosad), masinaehituses (masinate kered ja osad), keemiatööstus(autoklaavid, mahutid, konteinerid), laevaehitus, (paatide kered, paadid, propellerid) jne.
Komposiitmaterjalide eriomadused võimaldavad neid kasutada elektriisolatsioonimaterjalina (orgaanilised kiud), radioläbipaistvate kattekihtidena (klaaskiud), liugelaagritena (süsikiud) ja muude osadena.
Keraamilise maatriksiga komposiitmaterjalid. Kõrgeimate töötemperatuuride korral kasutatakse maatriksmaterjalina keraamikat. Keraamikana kasutatakse silikaati (SiO 2), alumosilikaati (Al 2 O 3 - SiO 2), alumiiniumborosilikaati (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2) materjale, alumiiniumi tulekindlaid oksiide (Al 2 O 3), tsirkooniumi maatriksid (ZrO 2), berüllium (BeO), räninitriid (Si 3 N 4), titaan (TiB 2) ja tsirkoonium (ZrB 2) boriidid, räni (SiC) ja titaan (TiC) karbiidid. Keraamilise maatriksiga komposiitidel on kõrge sulamistemperatuur, vastupidavus oksüdatsioonile, termilisele šokile ja vibratsioonile ning survetugevus. Karbiididel ja oksiididel põhinevad keraamilised CM-d, millele on lisatud metallipulbrit (< 50об. %) называются metallkeraamika . Lisaks keraamilise CM tugevdamiseks mõeldud pulbritele kasutatakse metalltraati, mis on valmistatud volframist, molübdeenist, nioobiumist, kuumakindlast terasest, aga ka mittemetallilistest kiududest (keraamika ja süsinik). Metalltraadi kasutamine loob plastraami, mis kaitseb CM-i purunemise eest, kui rabe keraamiline maatriks puruneb. Metallkiududega tugevdatud keraamilise CM puuduseks on madal kuumakindlus. Tulekindlate oksiidide (saab kasutada kuni 1000°C), boriidide ja nitriidide (kuni 2000°C) ning karbiidide (üle 2000°C) maatriksiga CM-idel on kõrge kuumakindlus. Keraamiliste CM-de tugevdamisel ränikarbiidkiududega saavutatakse nende ja maatriksi vaheline suur sidetugevus koos oksüdatsioonikindlusega kõrgetel temperatuuridel, mis võimaldab neid kasutada tugevalt koormatud osade (kõrgtemperatuuri laagrid) valmistamiseks. , tihendid, gaasiturbiinmootorite rootorilabad jne). Keraamika peamist puudust - plastilisuse puudumist - kompenseerib teatud määral tugevdavad kiud, mis takistavad keraamikas pragude levikut.
Süsinik-süsinik komposiit . Amorfse süsiniku kasutamine maatriksmaterjalina ja kristalse süsiniku (grafiidi) kiudude kasutamine tugevdusmaterjalina võimaldas luua komposiidi, mis talub kuumutamist kuni 2500 °C. Selline süsinik-süsinik komposiit on astronautika ja atmosfäärilennunduse jaoks paljulubav. Süsinikmaatriksi puuduseks on võimalik oksüdatsioon ja ablatsioon. Nende nähtuste vältimiseks kaetakse komposiit õhukese ränikarbiidi kihiga.
Süsinikmaatriks, mis on füüsikaliste ja keemiliste omaduste poolest sarnane süsinikkiuga, tagab CCCM termilise stabiilsuse
Kõige laialdasemalt kasutatakse süsinik-süsinik komposiitide tootmiseks kahte meetodit:
1. eelvormitud süsinikkiust tooriku polümeermaatriksi karboniseerimine kuumtöötlemisel kõrgel temperatuuril mitteoksüdeerivas keskkonnas;
2. pürosüsiniku aurustamine-sadestamine, tekkinud süsivesinike termilisel lagunemisel süsinikkiust substraadi poorides.
Mõlemal meetodil on oma eelised ja puudused. UCCM-i loomisel neid kombineeritakse sageli et anda komposiidile soovitud omadused.
Polümeermaatriksi karboniseerimine. Karboniseerimisprotsess on süsinikkiust toote kuumtöötlemine temperatuurini 1073 K mitteoksüdeerivas keskkonnas (inertgaas, kivisöe täitmine jne). Kuumtöötlemise eesmärk on muuta sideaine koksiks. Karboniseerimise protsessis toimub maatriksi termiline lagunemine, millega kaasneb kaalulangus, kokkutõmbumine, suure hulga pooride moodustumine ja selle tulemusena füüsikaliste omaduste vähenemine. mehaanilised omadused komposiit.
Karboniseerimine toimub kõige sagedamini retorttakistusahjudes. Kuumuskindlast sulamist valmistatud retort kaitseb toodet õhuhapniku oksüdeerumise eest ning kütteelemendid ja isolatsioon sideaine lenduvate söövitavate pürolüüsiproduktide sattumise eest ning tagab ahju reaktsioonimahu ühtlase kuumutamise.
Karboniseerumise mehhanismi ja kineetika määrab keemiliste sidemete dissotsiatsiooni ja tekkivate radikaalide rekombinatsiooni kiiruste suhe. Protsessiga kaasneb aurustuvate vaiguliste ühendite ja gaasiliste saaduste eemaldamine ning süsinikuaatomitega rikastatud tahke koksi moodustumine. Seetõttu on karboniseerimisprotsessis võtmeküsimuseks temperatuuri-aja režiimi valik, mis peaks tagama maksimaalse koksijäägi moodustumise sideainest, kuna karboniseeritud komposiidi mehaaniline tugevus sõltub muuhulgas ka karboniseeritud komposiidi kogusest. tekkis koks.
Mida suuremad on toote mõõtmed, seda pikem peaks olema karboniseerimisprotsess. Temperatuuri tõusu kiirus karboniseerimisel on mitmest kraadist mitmekümne kraadini tunnis, karboniseerimisprotsessi kestus on 300 tundi või rohkem. Karboniseerumine lõpeb tavaliselt temperatuurivahemikus 1073-1773 K, mis vastab süsiniku grafiidiks ülemineku temperatuurivahemikule.
CCCM-i omadused sõltuvad suuresti algse sideaine tüübist, mida kasutatakse sünteetiliste orgaaniliste vaikudena, mis annavad kõrge koksijäägi. Enamasti kasutatakse selleks fenool-formaldehüüdvaike nende valmistatavuse, madala hinna kättesaadavuse tõttu, selles protsessis moodustunud koks on kõrge tugevusega.
Fenoolformaldehüüdvaikudel on teatud puudused. Nende kõvenemise polükondensatsiooni ja lenduvate ühendite eraldumise tõttu on raske saada ühtlast tihedat struktuuri. Fenoolformaldehüüdsideainete karboniseerimisel on kokkutõmbumine suurem kui muud tüüpi CCCM-i tootmisel kasutatavate sideainete puhul, mis toob kaasa karboniseeritud komposiidi sisepingete ilmnemise ning selle füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste vähenemise.
Tihedamat koksi annavad furaani sideained. Nende kokkutõmbumine karboniseerimisel on väiksem ja koksi tugevus on suurem kui fenoolformaldehüüdvaikudel. Seetõttu kasutatakse CCCM-i tootmisel vaatamata keerulisemale kõvendustsüklile ka furfuraalil, furfurülideenatsetoonidel ja furüülalkoholil põhinevaid sideaineid.
Süsinikmaatriksi saamiseks on väga paljutõotavad kivisüsi ja nafta pigi kõrge süsinikusisalduse (kuni 92-95%) ja kõrge koksi arvu tõttu. Pigi eelised teiste sideainete ees on kättesaadavus ja madal hind, lahusti väljajätmine tehnoloogiline protsess, hea koksi grafitiseerimine ja selle kõrge tihedus. Pigude puudused hõlmavad olulise poorsuse teket, toote deformeerumist, kantserogeensete ühendite olemasolu nende koostises, mis nõuab täiendavaid meetmeid turvalisus.
Lenduvate ühendite eraldumise tõttu karboniseeritud plastis oleva vaigu termilisel lagunemisel tekib märkimisväärne poorsus, mis vähendab CCCM füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi. Seetõttu lõpetab süsinikkiu karboniseerimise etapp protsessi, mille käigus saadakse ainult poorsed materjalid, mis ei vaja suurt tugevust, näiteks madala tihedusega CCCM soojusisolatsiooni eesmärgil. Tavaliselt immutatakse karboniseeritud materjal poorsuse kõrvaldamiseks ja tiheduse suurendamiseks uuesti sideainega ja karboniseeritakse (seda tsüklit saab korrata mitu korda). Taasimmutamine toimub autoklaavides "vaakum-surve" režiimis, st töödeldavat detaili kuumutatakse esmalt vaakumis, seejärel tarnitakse sideaine ja tekib kuni 0,6-1,0 MPa ülerõhk. Impregneerimisel kasutatakse sideainete lahuseid ja sulameid ning iga tsükliga komposiidi poorsus väheneb, mistõttu on vaja kasutada vähendatud viskoossusega sideaineid. Tihendumisaste kordusimmutamisel sõltub sideaine tüübist, koksi arvust, toote poorsusest ja pooride täitumisastmest. Tiheduse suurenemisega uuesti immutamise ajal suureneb ka materjali tugevus. Seda meetodit saab kasutada kuni 1800 kg/m 3 ja suurema tihedusega CCCM saamiseks. Süsinikkiu karboniseerimismeetod on suhteliselt lihtne, see ei nõua keerulisi seadmeid ja tagab saadud toodete materjali omaduste hea reprodutseeritavuse. Kuid vajadus mitme tihendusoperatsiooni järele pikendab oluliselt ja suurendab CCCM-ist toodete hankimise kulusid, mis on selle meetodi tõsine puudus.
Pärast UCCM-i kättesaamist gaasifaasist pürosüsiniku sadestamise meetod gaasiline süsivesinik (metaan, benseen, atsetüleen jne) või süsivesinike ja lahjendusgaasi segu (inertgaas või vesinik) difundeerub läbi poorse süsinikkiudraami, kus kõrge temperatuuri toimel süsivesinik laguneb kiu kuumutatud pind. Sadestunud pürolüütiline süsinik loob järk-järgult kiudude vahele ühendavad sillad. Saadud pürosüsiniku sadestumise kineetika ja struktuur sõltuvad paljudest teguritest: temperatuur, gaasi voolukiirus, rõhk, reaktsiooni maht jne. Saadud komposiitide omadused määravad ka kiu tüüp ja sisaldus ning tugevdusskeem .
Sadestamisprotsess viiakse läbi vaakumis või rõhu all induktsioonahjudes, samuti takistusahjudes.
Pürosüsinikmaatriksi saamiseks on välja töötatud mitmeid tehnoloogilisi meetodeid.
Isotermilise meetodiga toorik asetatakse ühtlaselt kuumutatud kambrisse. Kuumutamise ühtlus induktsioonahjus tagatakse kütuseelemendi - grafiidist valmistatud sustseptori abil. Süsivesinikgaas juhitakse läbi ahju põhja ja difundeerub läbi reaktsioonimahu ja tooriku; gaasilised tooted reaktsioonid eemaldatakse ahju kaanes oleva väljalaskeava kaudu.
Protsess viiakse tavaliselt läbi temperatuuril 1173-1423 K ja rõhul 130-2000 kPa. Temperatuuri alandamine toob kaasa sadestumise kiiruse vähenemise ja protsessi kestuse liigse pikenemise. Temperatuuri tõus kiirendab pürolüütilise süsiniku ladestumist, kuid sel juhul ei ole gaasil aega töödeldava detaili põhiosasse difundeeruda ja pinnale sadestub pürolüütiline süsinik. Protsessi kestus ulatub sadadesse tundidesse.
Tavaliselt kasutatakse isotermilist meetodit õhukeseseinaliste osade valmistamiseks, kuna sel juhul täidetakse peamiselt toote pinna lähedal olevad poorid.
Pooride mahuliseks küllastamiseks ja paksuseinaliste toodete saamiseks, mitteisotermiline meetod, mis seisneb töödeldavas detailis temperatuurigradiendi tekitamises, asetades selle kuumutatud tornile või südamikule või kuumutades seda vahetult vooluga. Süsivesinikgaasi tarnitakse madalama temperatuuri poolelt. Rõhk ahjus on tavaliselt võrdne atmosfäärirõhuga. Selle tulemusena toimub pürosüsiniku sadestumine kõige kuumemas tsoonis. Üle pinna voolava gaasi jahutav toime suur kiirus, on peamine viis temperatuuri gradiendi saavutamiseks.
Komposiidi tiheduse ja soojusjuhtivuse suurendamine toob kaasa sadestumise temperatuurifrondi nihkumise, mis lõppkokkuvõttes tagab materjali mahulise tihendamise ja suure tihedusega (1700-1800 kg/m3) toodete valmistamise.
Pürosüsiniku maatriksiga CCCM-i saamise isotermilist meetodit iseloomustavad järgmised eelised: omaduste hea reprodutseeritavus; tehnilise disaini lihtsus; suur tihedus ja hea maatriksi grafitiseerimine; Võimalus töödelda mitut toodet korraga.
Puuduste hulka kuuluvad: madal sadestumise määr; pürosüsiniku pinnasadestamine; suurte pooride halb täitmine.
Mitteisotermilisel meetodil on järgmised eelised: kõrge sadestuskiirus; võime täita suuri poore; toote mahupitsat.
Selle puudused on järgmised: keeruline riistvara disain; töödeldakse ainult ühte toodet; maatriksi ebapiisav tihedus ja grafitiseerumine; mikropragude moodustumine.
3.4.4. CCCM kõrgtemperatuuriline kuumtöötlus (grafitiseerimine). Süsinikplastide ja pürosüsinikmaatriksiga komposiitide struktuur pärast gaasifaasist tihendamist on ebatäiuslik. Kihtide vahekaugus d 002, mis iseloomustab süsinikmaatriksi järjestusastet, on suhteliselt suur - üle 3,44 10 4 μm ja kristallide suurused on suhteliselt väikesed - tavaliselt mitte üle 5 10 -3 μm, mis on tüüpiline kahele. -põhiste süsinikukihtide mõõtmete järjestamine. Lisaks võivad nendes tootmisprotsessis tekkida sisepinged, mis võivad põhjustada toote struktuuri deformatsioone ja moonutusi, kui neid materjale kasutatakse karboniseerumise või pürosüsiniku sadestumise temperatuurist kõrgematel temperatuuridel. Seetõttu, kui on vaja saada termiliselt stabiilsemat materjali, töödeldakse seda kõrgel temperatuuril. Kuumtöötluse lõpptemperatuuri määravad töötingimused, kuid seda piirab materjali sublimatsioon, mis toimub intensiivselt temperatuuril üle 3273 K. Kuumtöötlemine toimub induktsioon- või takistusahjudes mitteoksüdeerivas keskkonnas (grafiit täidis, vaakum, inertgaas). Süsinik-süsinik materjalide omaduste muutumise kõrgtemperatuurse kuumtöötluse käigus määravad paljud tegurid: täiteaine ja maatriksi tüüp, kuumtöötluse lõpptemperatuur ja kestus, keskkonna tüüp ja selle rõhk ning muud tegurid. Kõrgel temperatuuril ületatakse süsinikmaterjalis olevad energiabarjäärid, mis takistavad polünukleaarsete ühendite liikumist, nende kinnitumist ja vastastikust ümberorienteerumist suurema tihendusastmega.
Nende protsesside kestus on lühike ja muundumisastme määrab peamiselt temperatuur. Seetõttu on kõrgel temperatuuril kuumtöötlemise protsesside kestus palju lühem kui karboniseerimise või pürosüsiniku sadestamise korral ja ulatub tavaliselt mitme tunnini. Karboniseeritud plastide kuumtöötlemisel kõrgel temperatuuril tekivad toote pöördumatud deformatsioonid, defektide järkjärguline "paranemine". Hästi grafitiseeritud pigipõhiste materjalide puhul, mille temperatuur on üle 2473 K, täheldatakse kolmemõõtmeliselt järjestatud süsinikkristalliitide intensiivset kasvu kuni üleminekuni grafiitstruktuurile. Samal ajal püsivad halvasti grafitiseeritud polümeersideainetel põhinevates karboniseeritud plastides struktuursed defektid kuni 3273 K ja materjal jääb grafitiseerimata struktuursesse vormi.
Pulbertäiteaine sisestatakse komposiitmaterjali maatriksisse, et realiseerida täiteainele omased omadused komposiidi funktsionaalsetes omadustes. Pulberkomposiitides on maatriksiks peamiselt metallid ja polümeerid. Nimi jäi polümeermaatrikspulberkomposiitide taha "plastikud".
Metallmaatriksiga komposiidid
Metallmaatriksiga komposiidid. Metallmaatriksiga pulberkomposiidid saadakse maatriksi ja täiteaine pulbrite segu külm- või kuumpressimisel, millele järgneb saadud pooltoote paagutamine inertses või redutseerivas keskkonnas temperatuuril umbes 0,75 °C. T pl maatriksmetall. Mõnikord kombineeritakse pressimis- ja paagutamisprotsesse. Pulberkomposiitide tootmise tehnoloogiat nimetatakse "pulbermetallurgia". Pulbermetallurgia meetodid toodavad metallkeraamikat ja eriomadustega sulameid.
Keraamika nimetatakse metallmaatriksiga komposiitmaterjalideks, mille täiteaineks on keraamika hajutatud osakesed nagu karbiidid, oksiidid, boriidid, silitsiidid, nitriidid jne. Põhiliselt kasutatakse maatriksina koobaltit, niklit ja kroomi. Keraamikas on ühendatud keraamika kõvadus ja kuumakindlus ning kuumakindlus metallide kõrge sitkuse ja soojusjuhtivusega. Seetõttu on metallkeraamika erinevalt keraamikast vähem rabe ja suudab purunemata taluda suuri temperatuurierinevusi.
Metallitöötlemistööriistade valmistamisel kasutatakse laialdaselt metallkeraamikat. Pulberkarbiidid nimetatakse tööriistakeraamikaks.
Kõvade sulamite pulbertäiteained on karbiidid või karbonitriidid koguses 80% või rohkem. Sõltuvalt täiteaine tüübist ja metallist, mis on komposiidi maatriks, jagatakse pulberkõvad sulamid nelja rühma:
- 1) WC-Co - ühekarbiidi tüüp B K;
- 2) WC-TiC-Co – kahe karbiidiga TK,
- 3) WC-TiC-TaC-Co - kolmekarbiidi tüüpi TTK;
- 4) TiC ja TiCN-(Ni + Mo) - titaankarbiidil ja karbonitriidil põhinevad sulamid - volframivaba tüüp TN ja CNT.
Sulamid VK. Sulamid on tähistatud tähtedega VK ja numbriga, mis näitab koobalti sisaldust. Näiteks sulami VK6 koostis: 94% WC ja 6% Co. VK-sulamite kuumakindlus on umbes 900°C. Selle rühma sulamitel on võrreldes teiste kõvasulamitega kõrgeim tugevus.
Sulamid TK. Sulamid tähistatakse tähtede ja numbrite kombinatsiooniga. Arv pärast T näitab titaankarbiidi sisaldust sulamis, pärast K - koobaltit. Näiteks sulami T15K6 koostis: TiC - 15%, Co - 6%, ülejäänud 79%, - WC. TK-sulamite kõvadus, mis tuleneb kõvema titaankarbiidi lisamisest täiteainesse, on suurem kui VK-sulamite kõvadus, eeliseks on ka kuumuskindlus - 1000 ° C, kuid võrdse koobaltisisalduse korral on nende tugevus väiksem. .
TTK sulamid (TT7K12, TT8K, TT20K9). TTK sulamite tähistus on sarnane TK-ga. Arv pärast teist tähte T näitab TiC ja TaC karbiidide kogusisaldust.
Võrdse kuumakindlusega (1000°C) on TTK sulamid paremad kui sama koobaltisisaldusega TK sulamid nii kõvaduse kui tugevuse poolest. Tantaalkarbiidiga legeerimise suurim mõju avaldub tsükliliste koormuste korral - löögiväsimuse eluiga pikeneb kuni 25 korda. Seetõttu kasutatakse tantaali sisaldavaid sulameid peamiselt rasketes lõiketingimustes suure jõu- ja temperatuurikoormusega.
Sulamid TN, KNT. Need on volframivabad kõvasulamid (BVTS), mis põhinevad titaankarbiidil ja karbonitriidil, millel on pigem nikli-molübdeeni side kui koobalti sideaine.
Kuumakindluse poolest jäävad BVTS-id alla volframi sisaldavatele sulamitele, BVTS-i kuumakindlus ei ületa 800°C. Nende tugevus ja elastsusmoodul on samuti väiksemad. BVTS-i soojusmahtuvus ja soojusjuhtivus on madalamad kui traditsioonilistel sulamitel.
Vaatamata suhteliselt madalatele kuludele on BVTS-i laialdane kasutamine lõikeriistade valmistamisel problemaatiline. Mõõte- (otsaplokid, gabariidid) ja joonestusvahendite valmistamiseks on kõige otstarbekam kasutada volframivabu sulameid.
Metallmaatriksit kasutatakse ka teemant- ja kuubikuboornitriidi pulbrilise täiteaine sidumiseks, mida ühiselt nimetatakse ülikõvadeks materjalideks (SHM). Töötlemisvahendina kasutatakse STM-täiteainega komposiitmaterjale.
Teemantpulbri täiteaine maatriksi valikut piirab teemandi madal kuumakindlus. Maatriks peab tagama teemanttäiteterade usaldusväärse sidumise termokeemilise režiimi, välja arvatud teemandi põletamine või grafitiseerimine. Tinapronksi kasutatakse kõige laialdasemalt teemanttäitematerjali liimimiseks. Boornitriidi kõrgem kuumakindlus ja keemiline inertsus võimaldavad kasutada raual, koobaltil ja kõvasulamil põhinevaid sideaineid.
STM-iga tööriist on valmistatud peamiselt ringidena, mille töötlemine toimub töödeldava materjali pinna lihvimisel pöörleva ringiga. Teemant- ja boornitriidil põhinevaid abrasiivseid rattaid kasutatakse laialdaselt lõikeriistade teritamiseks ja viimistlemiseks.
Teemant- ja boornitriidil põhinevate abrasiivsete tööriistade võrdlemisel tuleb märkida, et need kaks rühma ei konkureeri omavahel, vaid neil on oma ratsionaalse kasutusvaldkonnad. Selle määravad nende füüsikalis-mehaaniliste ja keemiliste omaduste erinevused.
Teemandi eelised tööriistamaterjalina boornitriidi ees hõlmavad seda, et selle soojusjuhtivus on suurem ja soojuspaisumistegur väiksem. Kuid määravad tegurid on teemandi kõrge difusioonivõime rauapõhiste sulamite – terase ja malmi suhtes ning vastupidi – boornitriidi inertsus nende materjalide suhtes.
Kõrgetel temperatuuridel täheldatakse teemandi aktiivset difusiooni interaktsiooni rauapõhiste sulamitega. Madalamatel temperatuuridel
Teemantide kasutamisel õhus on temperatuuripiirangud. Teemant hakkab temperatuuril 400°C märgatava kiirusega oksüdeeruma. Kõrgematel temperatuuridel põleb koos vabanemisega süsinikdioksiid. Samuti piirab see teemanttööriista jõudlust võrreldes kuupboornitriidil põhineva tööriistaga. Boornitriidi olulist oksüdeerumist õhus täheldatakse alles pärast ühetunnist kokkupuudet temperatuuril 1200°C.
Teemantide jõudluse temperatuuripiiri inertses keskkonnas piirab selle muutumine termodünaamiliselt stabiilseks süsiniku grafiidiks, mis algab kuumutamisel 1000 °C-ni.
Teine ulatuslik metallkeraamika kasutusvaldkond on nende kasutamine kõrge temperatuuriga konstruktsioonimaterjalina uute tehnoloogiaobjektide jaoks.
Metallmaatriksiga pulberkomposiitide kasutusomadused määravad peamiselt täiteaine omadused. Seetõttu on eriomadustega pulberkomposiitmaterjalide puhul kõige levinum klassifikatsioon kasutusala järgi.
Komposiitmaterjalid koosnevad metallmaatriksist (sagedamini Al, Mg, Ni ja nende sulamid), mis on tugevdatud ülitugevate kiududega (kiudmaterjalid) või peendisperssete tulekindlate osakestega, mis ei lahustu mitteväärismetallis (dispersioontugevdatud materjalid). Metallmaatriks seob kiud (dispergeeritud osakesed) ühtseks tervikuks. Kiud (dispergeeritud osakesed) pluss hunnik (maatriks), mis selle moodustavad
Riis. 196. Komposiitmaterjalide konstruktsiooni (a) ja pidevate kiududega (b) tugevdamise skeem: 1 - granuleeritud (dispersioontugevdatud) materjal (l / d \u003d 1); 2 - diskreetne kiuline komposiitmaterjal; 3 - pidevalt kiuline komposiitmaterjal; 4 - kiudude pidev paigaldamine; 5 - kiudude kahemõõtmeline virnastamine; 6.7 - kiudude mahuline paigaldamine
või muu koostisega, nimetatakse komposiitmaterjalideks (joon. 196).
Kiudkomposiitmaterjalid. Joonisel fig. 196 näitab kiudkomposiitmaterjalide tugevdamise skeemi. Kiulise täiteainega (tugevdajaga) komposiitmaterjalid jagunevad diskreetseteks, milles on kiu pikkuse ja läbimõõdu suhe, ja pideva kiuga, milles diskreetsed kiud on maatriksis paigutatud juhuslikult, vastavalt tugevdava toime mehhanismile. . Kiudude läbimõõt on fraktsioonidest sadade mikromeetriteni. Mida suurem on kiu pikkuse ja läbimõõdu suhe, seda suurem on tugevdusaste.
Sageli on komposiitmaterjal kihiline struktuur, milles iga kiht on tugevdatud suure hulga paralleelsete pidevate kiududega. Iga kihti saab tugevdada ka pidevate kiududega, mis on kootud kangaks, mis on esialgse kujuga, mis vastab laiuselt ja pikkuselt lõppmaterjalile. Pole haruldane, et kiud on kootud kolmemõõtmelisteks struktuurideks.
Komposiitmaterjalid erinevad tavalistest sulamitest rohkemgi kõrged väärtused ajutine takistus- ja vastupidavuspiir (50-100%), elastsusmoodul, jäikuskoefitsient () ja vähenenud kalduvus pragunemisele. Komposiitmaterjalide kasutamine suurendab konstruktsiooni jäikust, vähendades samal ajal selle metallikulu.
Tabel 44 (vt skaneerimine) Metallipõhiste komposiitmaterjalide mehaanilised omadused
Komposiit- (kiud)materjalide tugevuse määravad kiudude omadused; maatriks peaks peamiselt pinged ümber jaotama tugevduselementide vahel. Seetõttu peavad kiudude tugevus ja elastsusmoodul olema oluliselt suuremad kui maatriksi tugevus ja elastsusmoodul. Jäigad tugevduskiud tajuvad koormusel kompositsioonis tekkivaid pingeid, annavad sellele tugevuse ja jäikuse kiudude orientatsiooni suunas.
Alumiiniumi, magneesiumi ja nende sulamite tugevdamiseks kasutatakse boor- ja süsinikkiude, samuti tulekindlate ühendite (karbiidid, nitriidid, boriidid ja oksiidid) kiude, millel on kõrge tugevus ja elastsusmoodul. Seega kasutatakse ülitugevast terastraadist kiududena sageli ränikarbiidkiude läbimõõduga 100 mikronit.
Titaani ja selle sulamite tugevdamiseks kasutatakse molübdeentraati, safiirkiude, ränikarbiidi ja titaanboriidi.
Niklisulamite kuumakindluse suurendamine saavutatakse nende tugevdamisega volfram- või molübdeentraadiga. Metallkiude kasutatakse ka juhtudel, kui on vaja suurt soojus- ja elektrijuhtivust. Suure tugevusega ja suure mooduliga kiudkomposiitmaterjalide paljulubavad kõvendid on alumiiniumoksiidist ja -nitriidist, ränikarbiidist ja -nitriidist, boorkarbiidist jne valmistatud vurrud, millel on
Tabelis. 44 näitab mõnede kiudkomposiitmaterjalide omadusi.
Metallil põhinevad komposiitmaterjalid on kõrge tugevuse ja kuumakindlusega, samal ajal madala plastilisusega. Kuid komposiitmaterjalide kiud vähendavad maatriksis tekkivate pragude levimiskiirust ja kõrvaldavad peaaegu täielikult äkilised
Riis. 197. Boor-alumiinium komposiitmaterjali elastsusmooduli E (a) ja tõmbetugevuse (b) sõltuvus piki (1) ja risti (2) armatuuri telge boorkiu mahusisaldusest
habras luumurd. Iseloomulik omadusÜheteljelised kiudkomposiitmaterjalid on mehaaniliste omaduste anisotroopsus piki kiudu ja risti ning madal tundlikkus pingekontsentraatorite suhtes.
Joonisel fig. 197 näitab boor-alumiinium komposiitmaterjali sõltuvust ja E boorkiu sisaldusest piki (1) ja risti armatuuri telge. Mida suurem on kiudude mahusisaldus, seda kõrgem ja E piki armatuuri telge. Siiski tuleb arvestada, et maatriks suudab pingeid kiududele üle kanda ainult siis, kui tugevduskiu ja maatriksi vahelisel kokkupuutel on tugev side. Kiudude kokkupuute vältimiseks peab maatriks kõik kiud täielikult ümbritsema, mis saavutatakse siis, kui selle sisaldus ei ole väiksem kui 15-20%.
Maatriks ja kiud ei tohiks valmistamise või töötamise ajal üksteisega interakteeruda (ei tohiks olla vastastikust difusiooni), kuna see võib viia komposiitmaterjali tugevuse vähenemiseni.
Kiudkomposiitmaterjalide omaduste anisotroopsust võetakse arvesse detailide projekteerimisel, et optimeerida omadusi, sobitades takistusvälja 6 pingeväljadega.
Alumiiniumi, magneesiumi ja titaani sulamite tugevdamine pidevate tulekindlate boori, ränikarbiidi, titaandiboriidi ja alumiiniumoksiidi kiududega suurendab oluliselt kuumakindlust. Komposiitmaterjalide eripäraks on aeglane pehmenemiskiirus (joonis 198, a) temperatuuri tõustes.
Riis. 198. 50% boorkiudu sisaldava boor-alumiinium komposiitmaterjali pikaajaline tugevus võrreldes titaanisulamite tugevusega (a) ja nikkelkomposiitmaterjali pikaajaline tugevus võrreldes sademekindlate sulamite tugevusega. (b): 1 - boor-alumiinium komposiit; 2 - titaani sulam; 3 - dispersioontugevdatud komposiitmaterjal; 4 - sademetega kõvenevad sulamid
Ühe- ja kahemõõtmelise tugevdusega komposiitmaterjalide peamiseks puuduseks on madal vastupidavus kihtidevahelisele nihkele ja põiksuunalisele purunemisele. See puudus on ilma materjalidest lahtiselt tugevduses.
Dispersioontugevdatud komposiitmaterjalid. Erinevalt kiulistest komposiitmaterjalidest on dispersioontugevdatud komposiitmaterjalides põhiliseks kandeelemendiks maatriks ja hajutatud osakesed aeglustavad dislokatsioonide liikumist selles. Kõrge tugevus saavutatakse osakeste suurusega 10-500 nm, mille keskmine vahekaugus on 100-500 nm ja nende ühtlane jaotus maatriksis. Tugevus ja kuumakindlus, olenevalt kõvenemisfaaside mahusisaldusest, ei allu liiteseadusele. Erinevate metallide teise faasi optimaalne sisaldus ei ole sama, kuid tavaliselt ei ületa
Maatriksmetallis lahustumatute stabiilsete tulekindlate ühendite (toorium-, hafnium-, ütriumoksiidid, oksiidide ja haruldaste muldmetallide kompleksühendid) kasutamine tugevdusfaasidena võimaldab säilitada materjali kõrget tugevust kuni . Sellega seoses kasutatakse selliseid materjale sageli kuumakindlatena. Dispersioontugevdatud komposiitmaterjale on võimalik saada enamiku inseneritöös kasutatavate metallide ja sulamite baasil.
Kõige laialdasemalt kasutatavad alumiiniumil põhinevad sulamid - SAP (paagutatud alumiiniumpulber). SAP koosneb alumiiniumist ja hajutatud helvestest Osakesed pärsivad tõhusalt nihestuste liikumist ja suurendavad seeläbi tugevust
sulam. Sisaldus SAP-is varieerub alates ja kuni Sisalduse suurenemisega suureneb see 300-lt for-le ja pikenemine väheneb vastavalt 8-lt 3%-le. Nende materjalide tihedus on võrdne alumiiniumi tihedusega, nad ei jää sellele alla korrosioonikindluse poolest ning võivad temperatuurivahemikus töötades isegi asendada titaani ja korrosioonikindlaid teraseid.Pikaajaliselt ületavad sepistatud alumiiniumisulameid tugevus. Sulamite pikaajaline tugevus on
Nikli dispersiooniga tugevdatud materjalide suured väljavaated. Niklipõhised sulamid 2-3 mahuga. tooriumdioksiid või hafniumdioksiid. Nende sulamite maatriks on tavaliselt tahke lahus, laialdast kasutust on leidnud sulamid (tooriumdioksiidiga karastatud nikkel), (hafniumdioksiidiga karastatud nikkel) ja (tooriumoksiidiga karastatud maatriks). Nendel sulamitel on kõrge kuumakindlus. Temperatuuril on sulamil sulam Dispersioontugevdatud komposiitmaterjalid, aga ka kiudmaterjalid, on vastupidavad pehmenemisele temperatuuri tõustes ja antud temperatuuril hoidmisajal (vt joonis 198).
Komposiitmaterjalide kasutusalad ei ole piiratud. Neid kasutatakse lennunduses suure koormusega lennukiosade (nahk, peeled, ribid, paneelid jne) ja mootorite (kompressorid ja turbiinilabad jne), jäikuse, paneelide jaoks, autotööstuses kerede, vedrude, raamide kergendamiseks, kerepaneelid, kaitserauad jms, mäetööstuses (puurriistad, kombaini osad jne), tsiviilehituses (sillavahed, kokkupandavad konstruktsioonid kõrghooned jne) ja muudes rahvamajanduse valdkondades.
Komposiitmaterjalide kasutamine annab uue kvalitatiivse hüppe mootorite, jõu- ja transpordiseadmete võimsuse suurendamisel ning masinate ja seadmete kaalu vähendamisel.
Pooltoodete ja komposiitmaterjalidest toodete valmistamise tehnoloogia on hästi arenenud.
Seda tüüpi komposiitmaterjalide hulka kuuluvad sellised materjalid nagu SAP (paagutatud alumiiniumpulber), mis on alumiiniumist tugevdatud alumiiniumoksiidi hajutatud osakestega. Alumiiniumipulber saadakse sulametalli pihustamisel, millele järgneb jahvatamine kuulveskis hapniku juuresolekul umbes 1 mikroni suuruseni. Jahvatamise kestuse pikenemisega muutub pulber peenemaks ja alumiiniumoksiidi sisaldus selles suureneb. Täiendav SAP-i toodete ja pooltoodete tootmise tehnoloogia hõlmab paagutatud alumiiniumtooriku külmpressimist, eelpaagutamist, kuumpressimist, valtsimist või ekstrudeerimist valmistoodeteks, mida saab täiendavalt kuumtöödelda.
SAP-tüüpi sulameid kasutatakse lennutehnoloogias kõrge eritugevuse ja korrosioonikindlusega detailide valmistamiseks, mis töötavad temperatuuridel kuni 300 - 500 °C. Nendest valmistatakse kolvivardad, kompressori labad, kütuseelementide kestad ja soojusvaheti torud.
Alumiiniumi ja selle sulamite tugevdamine terastraadiga suurendab nende tugevust, suurendab elastsusmoodulit, väsimuskindlust ja laiendab materjali temperatuurivahemikku.
Lühikeste kiududega tugevdamine toimub pulbermetallurgia meetoditega, mis seisnevad pressimises, millele järgneb toorikute hüdroekstrusioon või valtsimine. Alumiiniumfooliumi ja kiudude vahelduvatest kihtidest koosnevate sandwich-tüüpi kompositsioonide pidevate kiududega tugevdamisel kasutatakse valtsimist, kuumpressimist, plahvatuskeevitust ja difusioonkeevitust.
Väga paljulubav materjal on alumiinium-berülliumtraadi koostis, mis realiseerib berülliumarmatuuri kõrgeid füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi ning ennekõike selle madalat tihedust ja suurt erijäikust. Berülliumtraadiga kompositsioonid saadakse berülliumtraadi ja maatrikslehtede vahelduvatest kihtidest pakkide difusioonkeevitamisel. Teras- ja berülliumtraatidega tugevdatud alumiiniumsulameid kasutatakse raketi keredetailide ja kütusepaakide valmistamiseks.
Kompositsioonis "Alumiinium-süsinikkiud" võimaldab madala tihedusega tugevduse ja maatriksi kombinatsioon luua suure eritugevuse ja jäikusega komposiitmaterjale. Süsinikkiudude puuduseks on nende haprus ja kõrge reaktsioonivõime. Alumiinium-süsinik koostis saadakse süsinikkiudude immutamisel vedela metalliga või pulbermetallurgia meetoditega. Tehnoloogiliselt on kõige lihtsam tõmmata süsinikkiudude kimbud läbi alumiiniumsulami.
Alumiinium-süsinik komposiiti kasutatakse kaasaegsete hävitajate kütusepaakide projekteerimisel. Materjali suure eritugevuse ja jäikuse tõttu väheneb kütusepaakide mass 30%. Seda materjali kasutatakse ka lennukite gaasiturbiinmootorite turbiinilabade valmistamiseks.
Mittemetallilise maatriksiga komposiitmaterjalid
Tööstuses kasutatakse laialdaselt mittemetallilise maatriksiga komposiitmaterjale. Mittemetalliliste maatriksitena kasutatakse polümeeri, süsinikku ja keraamilisi materjale. Polümeermaatriksitest on enim kasutatud epoksü-, fenoolformaldehüüdi ja polüamiidi. Süsinikmaatriksid koksitakse või saadakse sünteetilistest polümeeridest, mis on allutatud pürolüüsile (lagunemine, lagunemine). Maatriks seob kompositsiooni, andes sellele vormi. Tugevdajad on kiud: klaas, süsinik, boor, orgaaniline, vurrude (oksiidid, karbiidid, boriidid, nitriidid jne) baasil, samuti metall (traadid), millel on kõrge tugevus ja jäikus.
Komposiitmaterjalide omadused sõltuvad komponentide koostisest, nende kombinatsioonist, kvantitatiivsest suhtest ja nendevahelise sideme tugevusest.
Kõvendi sisaldus orienteeritud materjalides on 60–80 vol. %, orienteerimata (diskreetsete kiudude ja vurridega) - 20 - 30 vol. %. Mida suurem on kiudude tugevus ja elastsusmoodul, seda suurem on komposiitmaterjali tugevus ja jäikus. Maatriksi omadused määravad koostise tugevuse nihke- ja kokkusurumisel ning vastupidavuse väsimuskahjustusele.
Kõvendi tüübi järgi jaotatakse komposiitmaterjalid klaaskiududeks, süsinikkiududega süsinikkiududeks, boorkiududeks ja orelkiududeks.
Lamineeritud materjalides asetatakse sideainega immutatud kiud, niidid, teibid ladumise tasapinnas üksteisega paralleelselt. Tasapinnalised kihid monteeritakse plaatideks. Omadused on anisotroopsed. Materjali tööks tootes on oluline arvestada mõjuvate koormuste suunda. Saate luua nii isotroopsete kui ka anisotroopsete omadustega materjale. Kiude saab paigutada erinevate nurkade all, muutes komposiitmaterjalide omadusi. Materjali painde- ja väändejäikus sõltub kihtide paigaldamise järjekorrast piki pakendi paksust.
Kasutatakse kolme, nelja või enama keermega tugevduselementide virnastamist (joonis 7). Kolme vastastikku risti asetseva keerme struktuur on kõige suurema rakendusega. Kõvendid võivad paikneda aksiaal-, radiaal- ja ringsuunas.
Kolmemõõtmelised materjalid võivad olla mis tahes paksusega plokkide, silindrite kujul. Mahukad kangad suurendavad koorimistugevust ja nihkekindlust võrreldes kihiliste kangastega. Neljast kiust koosnev süsteem ehitatakse, asetades tugevduse piki kuubi diagonaale. Nelja keerme struktuur on tasakaalustatud, põhitasanditel on suurenenud nihkejäikus. Nelja suunamaterjali loomine on aga keerulisem kui kolme suunalise materjali loomine.
Riis. 7. Komposiitmaterjalide tugevdamise skeem: 1 - ristkülikukujuline, 2 - kuusnurkne, 3 - kaldus, 4 - kumerate kiududega, 5 - n keermega süsteem
Kõige tõhusamad kasutamisel kõige raskemates kuivhõõrdetingimustes on polütetrafluoroetüleenil (PTFE) põhinevad hõõrdumist takistavad materjalid.
PTFE-d iseloomustab üsna kõrge staatiline hõõrdetegur, kuid libisemise ajal tekib PTFE pinnale väga õhuke kõrge orientatsiooniga polümeerikiht, mis aitab ühtlustada staatilist ja dünaamilist hõõrdetegurit ning sujuvat liikumist libisemisel. Libisemissuuna muutmisel põhjustab orienteeritud pinnakile olemasolu ajutise hõõrdeteguri tõusu, mille väärtus pinnakihi ümberorienteerimisel taas väheneb. PTFE selline käitumine hõõrdumisel on toonud kaasa selle laialdase kasutamise tööstuses, kus täitmata PTFE-d kasutatakse peamiselt laagrite tootmiseks. Paljudel juhtudel peavad määrimata laagrid töötama suuremal hõõrdekiirusel. Samal ajal iseloomustavad täitmata PTFE-d kõrged hõõrdeteguri ja kulumiskiiruse väärtused. Sellistes tingimustes töötavate määrimata laagrite materjalidena on kõige sagedamini PTFE-l põhinevad komposiitmaterjalid leidnud laialdast rakendust.
Lihtsaim viis PTFE suhteliselt kõrge kulumise vähendamiseks kuivhõõrdumise ajal on pulbriliste täiteainete kasutuselevõtt. Sel juhul suureneb roomamistakistus surve all ja kuivhõõrdumise korral täheldatakse kulumiskindluse olulist suurenemist. Optimaalse koguse täiteaine kasutuselevõtt võimaldab suurendada kulumiskindlust kuni 10 4 korda.
Polümeeridel ja nendel põhinevatel komposiitmaterjalidel on ainulaadne füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste kogum, mille tõttu nad konkureerivad edukalt traditsiooniliste konstruktsiooniteraste ja sulamitega ning mõnel juhul on võimatu tagada spetsiaalsete toodete ja masinate nõutavaid funktsionaalseid omadusi ja jõudlust. ilma polümeerseid materjale kasutamata. Plastide toodeteks töötlemise tehnoloogiate kõrge valmistatavus ja madal energiatarve koos ülalmainitud PCM-i eelistega teevad neist väga paljulubavad materjalid erinevatel eesmärkidel kasutatavate masinaosade jaoks.
