Методы получения и свойства армирующих волокон

В армированных композиционных материалах основную нагрузку воспринимают волокна. Вводят их в матричный материал в виде отрезков, непрерывных нитей, длина которых соответствут длине армированного материала, либо в виде тканей различного плетения, войлока, матов. Дискретные волокна могут располагаться в матрице хаотично или ориентированно. Непрерывные волокна в зависимости от требований вводят слоями, которые могут быть ориентированы под различными углами.

Нитевидные кристаллы, или «усы» - очень тонкие дискретные волокна с монокристаллической структурой.

Диаметр нитевидных кристаллов обычно не превышает 10 мкм.

В настоящее время известны следующие методы получения нитевидных кристаллов:

1. Выращивание усов из покрытий – выращивают нитевидные кристаллы легкоплавких металлов (Zn, Sn, In, Sn и др.).

2. Выращивание усов в электрическом поле – выращивают кристаллы некоторых металлов (Fe, Ag, Cu и др.).

3. Осаждение в газовой фазе основано на возгонке или испарении исходного вещества, последующем массопереносе его через газовую фазу и конденсации в зоне осаждения. Данным методом получают усы многих металлов и соединений (цинк, кадмий).

4. Химические способы получения нитевидных кристаллов нашли более широкое применение, чем предыдущие. В данном случае усы выращиваются вследствие химического взаимодействия между материалом испаряемого вещества и окружающей газовой средой. Получают «усы» различных металлов (кобальт, кремния, германия, фосфид галлия, оксид алюминия, карбида кремния).

Высокопрочные металлические проволоки – один из самых доступных видов волокон, применяемых для армирования композиционных материалов.

При армировании применяют: стальные проволоки (из углеродистых сталей У8, У12, мартенситностареющих Н8 М18 КН, нержавеющих аустенитно-мартенситных Х17 Н7 Ю), проволоки из вольфрама и молибдена, берилевую проволоку, металлические волокна, получаемые из расплава (Ag, Cu, Ni, Co, латуни).

Из металлических упрочнителей широко применяют стальную проволоку, которая является наиболее дешевым и технологичным упрочнителем.

Высокой жаропрочностью обладает проволока из тугоплавких металлов (Mo, W, Ta). Высокие прочностные свойства такой проволоки сохраняются до 1200-1500⁰С, и поэтому ее применяют для армирования жаропрочных матриц.

Малой плотностью и большой удельной прочностью обладает проволока из бериллия. Ее применяют для армирования матриц, обладающих малой плотностью, т.е. на алюминиевой, магниевой или титановой основах.

Для армирования металлических и полимерных матриц широко используют борные волокна. Они характеризуются высокой прочностью, малой склонностью к нарушению при повышении температуры. В настоящее время наряду с чисто борными волокнами выпускают волокна бора, сплетенные стекловолокном. Такие комбинированные волокна обладают более высокой устойчивостью.

Керамические непрерывные волокна: стеклянные, кремнеземные, стеклянные и кремнеземные волокна с металлическими покрытиями, жаропрочные поликристалличские волокна, углеродные, борные и карбидокремниевые волокна.

Высокими прочностью, удельной прочностью и термической стабильностью механических свойств отличаются высокомодульные углеродные волокна. В зависимости от вида исходного продукта углеродные волокна могут быть в виде нитей, жгута, тканных материалов, лент, войлока. К достоинствам углеродных волокон относятся высокие теплопроводность, электропроводность, коррозионная стойкость, стойкость к тепловым ударам, низкие коэффициенты трения и линейного расширения.

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

Стекловолокно характеризуется сочетанием высокой прочности, теплостойкости, диэлектрических свойств, низкой теплопроводности, высокой коррозионностойкостью.

Таблица 10.1

Свойства волокон и нитевидных монокристаллов.

Материал	Температура плавления или размягчения, 0С	, т/м3	, МПа	, км	, ГПа	Средний диаметр волокна, мкм
Волокна
Углерод или графит		1,6-2	1687-3374	110-210	216-677	5,8-7,6
Бор на вольфрамовой проволоке		2,63	2707-4060	110-160	373-402	102-142
Борсик на вольфрамовой проволоке		2,77	2707-4060	100-160	373-412
Карбид кремния на вольфрамовой проволоке		3,35-3,46	2236-3893	67-120	492-471
Оксид алюминия Al2O3		3,14
Стекло	-	2,5			89,3	-
Бериллий		1,85	981-1100	38-54		125-130
Вольфрам		19,3	1657-3207	9-17		51-1270
Сталь 18Х15Н5АМ3	-	7,8	3500-3800
Нитевидные монокристаллы
Сапфир, Al2O3	2040*	3,96	4021-23634	110-620	402-1010	0,51-11
Карбид кремния	2690*	3,22	13533-40600	440-1320	441-1010	0,51-11

^{* Температура разложения.}