Борные, углеродные керамические волокна и стекловолокно.

Для армирования металлических и полимерных матриц широко используют борные волокна. Они характеризуются высокой прочностью, твердостью, малой склонностью к разрушению при повышении температуры. Борные волокна получают разложением хлорида и бромида бора в среде водорода с последующим осаждением бора из газовой среды на горячей вольфрамовой нити диаметром примерно 12 мкм. В результате взаимодействия бора с вольфрамом сердцевина борных волокон состоит из боридов вольфрама различного состава: WB, W₂B₅, WB₅. При продолжительном нагреве сохраняется в основном WB₄. Волокна бора имеют ромбическую кристаллическую решетку и диаметр d = 70…200 мкм. При небольшой плотности волокна бора обладают высокой прочностью и жесткостью, что объясняется мелкокристаллической структурой. Большое влияние на прочность оказывает и структура их поверхности. На поверхности волокон находятся крупные зерна (ячеистое строение), включения, трещины, пустоты, что снижает прочность борных волокон. При температуре выше 400 °C борные волокна окисляются, а выше 500 °C вступают в химическое взаимодействие с алюминиевой матрицей. Для повышения жаростойкости и предохранения от взаимодействия с матрицей на борные волокна наносят покрытия из карбида кремния, карбида и нитрида бора толщиной 3…5 мкм.

В качестве упрочнителей применяют комбинированные волокна – это волокна бора, оплетенные стекловолокном. Такие волокна обладают более высокой устойчивостью. К основному недостатку борных волокон можно отнести высокую стоимость, которую можно понизить путем увеличения диаметра и заменой вольфрамовой основы на углеродную.

Более высокими прочностью, удельной прочностью и термической стабильностью механических свойств отличаются высокомодульные углеродные волокна, которые получают высокотемпературной термической обработкой в инертной среде из синтетических органических волокон.

В зависимости от вида исходного продукта углеродные волокна могут быть в виде нитей, жгута, тканых материалов, лент, войлока. Наиболее широко для производства углеродных волокон используют вискозу, полиакрилнитрил (ПАН).

Структура и свойства углеродных волокон в большей степени зависят от температуры термической обработки синтетических волокон, от наличия дефектов (пустот, трещин), особенно, если размеры дефектов превышают 0,05 мкм. При нагреве выше 450 °C на воздухе углеродные волокна окисляются, в восстановительной и нейтральной средах сохраняют свои механические свойства до 2200 °C.

К достоинствам углеродных волокон следует также отнести: высокую теплопроводность, электрическую проводимость, коррозионную стойкость, стойкость к тепловым ударам, низкие коэффициенты трения и линейного растяжения.

К недостаткам следует отнести: плохую смачиваемость расплавленными материалами, используемыми в качестве матриц. Для улучшения смачиваемости и уменьшения химического взаимодействия с матрицей на углеродные волокна наносят покрытия. Хорошие результаты в контакте с алюминиевой матрицей показывают покрытия из боридов титана и циркония.

Керамические волокна оксидов, нитридов, карбидов характеризуются высокими твердостью, прочностью, модулем упругости, относительно небольшой плотностью и высокой термической стабильностью.

Нитевидные кристаллы ("усы") обладают особо высокими прочностью и жесткостью. Высокая прочность объясняется совершенством их структуры, для которой характерна очень малая плотность дислокаций.

Стекловолокно характеризуется сочетанием высокой прочности (s_в= 3000…5000 МПа), теплостойкости, диэлектрических свойств, низкой теплопроводности, высокой коррозионной стойкости. Стекловолокно получают продавливанием стекломассы через специальные фильтры или вытягиванием из расплава.

Изготовляют два вида стекловолокна: непрерывное - диаметром 3…100 мкм, длиной 20 км и более и штапельное - диаметром 0,5…20 мкм, длиной 0,01…0,5 м. Штапельные волокна применяют для изготовления конструкционных КМ с однородными свойствами, а также теплозвукоизоляционных КМ; непрерывные - в основном для высокопрочных КМ на неметаллической основе. Выпускаемые в настоящее время непрерывные профильные волокна с квадратной, прямоугольной, шестиугольной формой поперечного сечения повышают прочность и жесткость КМ благодаря более плотной упаковке в материале.

Применение полых профильных волокон уменьшает плотность, повышает жесткость при изгибе и прочность при сжатии КМ, улучшает их изоляционные свойства.

Стекловолокно изготавливают быстрым охлаждением расплавов стекломассы, фиксирующим в волокнах аморфную структуру однородной жидкости. Стекловолокна дешевы, хорошо отработан процесс изготовления пластиков на их основе; стеклопластики широко применяются уже в течение нескольких десятков лет в изделиях авиационной техники, в автомобилестроении, при производстве спортивных товаров и т.п. Основными недостатками стеклянных волокон является низкая жесткость, не позволяющая использовать стеклопластики в силовых конструкциях ответственного назначения, и зависимость свойств от внешней среды.

Несмотря на недостатки преимущества волокон позволяют широко использовать их для армирования пластмасс, металлов и керамики.