Содержание 
 

       1 Металлические матрицы……………………………………………………3

       2 Достоинства и недостатки жидкофазных  способов получения металлических   композиционных материалов………………………………………7

       2.1 Смачивание поверхности и пропитка  твердых тел……………………..8

       3 Применение композитов на основе металлической матрицы…………..11

       Библиографический список…………………………………………………13  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Металлические матрицы

1.1. Основы технологии изготовления

  Технологии  получения композитов с металлическими матрицами построены в основном на использовании препрегов. Препреги представляют собой однослойные ленты различных размеров с одним рядом армирующих волокон или ткани, пропитанных или покрытых матричным металлом (сплавом) с одной или обеих сторон. Используются также жгуты волокон, пропитанные металлом, и индивидуальные волокна, покрытые матричным металлом, сплавом или его компонентами. Впоследствии препреги используют для получения компактных заготовок: листов, полос: плит, труб и т. п., которые подвергаются процессам формообразования, раскроя, сварки, механической обработки. В некоторых случаях этапы компактирования и формообразования совмещаются — такие процессы изготовления изделий считаются одностадийными.

  Препреги  могут изготавливаться с помощью  различных методов нанесения  металла на армирующие элементы: плазменного напыления, порошковой технологии, пропитки, протяжки волокон через расплав, а также посредством прокатки и горячего прессования. Выделяют четыре основные группы способов получения препрегов, полуфабрикатов и изделий из КМ с металлическими матрицами: парогазофазные, жидкофазные, твердожидкофазные и твердофазные.

  Парогазофазные  способы используются в основном для нанесения на волокна, жгуты, ленты и ткани барьерных и технологических покрытий, которые должны быть равномерно распределены по поверхности каждого волокна. Барьерные покрытия предназначены для защиты волокна от деградации в результате физико-химического взаимодействия с металлической матрицей. Эти покрытия представляют собой термодинамически стойкие химические соединения, играющие роль диффузионных барьеров. Состав этих соединений обычно включает бориды, нитриды, карбиды, окислы и выбирается в зависимости от характера физико-химической и термомеханической совместимости армирующих волокон и матричных сплавов. Выбранное соединение осаждается на поверхность непрерывно движущихся волокон, образуя плотное покрытие. Толщина покрытия может меняться от сотен ангстрем до нескольких микрон.

  Технологические покрытия предназначены для улучшения  смачивания волокон матричными металлическими расплавами и повышения адгезии, а также для формирования на поверхности волокон металлических слоев, необходимых либо для пластифицирования волокон, либо для последующего формирования КМ.

К жидкофазным  способам относят:

• протяжку волокон, жгутов и тканей через расплавы металлов и матричных сплавов для пластифицирования волокон и получения препрегов;
• пропитку пакетов препрегов металлическими расплавами на стадиях изготовления полуфабрикатов и изделий в автоклавах под небольшим избыточным давлением, а также методами литейной технологии;
• плазменное и некоторые другие виды газотермического распыления металлов.

  Твердожидкофазные способы применяются для производства полуфабрикатов и изделий из КМ методами горячего прессования, волочения и прокатки пакетов препрегов. Особенно эффективны они при армировании КМ тканями из многофиламентных жгутов, а также при сложном характере армирования, когда требуется дозирование объема жидкой фазы, необходимой для равномерной пропитки волоконного каркаса металлом.

  К твердофазным способам относят горячее  прессование при статическом, динамическом и импульсном давлении в вакууме  или среде защитных газов, а также  прокатку, волочение, экструзию и  сварку давлением. 

Метод плазменного напыления

  Существует  два варианта получения КМ с использованием плазменного напыления матричного сплава на армирующие волокна:

1. непрерывное волокно с фиксированным шагом наматывают на приемный барабан, затем на волокно напыляют матричный сплав;
2. на поверхность барабана укладывают фольгу из матричного сплава, наматывают на нее с заданным шагом волокно и проводят напыление сплава.

  Особенностью (и основным преимуществом) технологии плазменного напыления является кратковременность (10-² ... 10-⁴ сек) термического и механического взаимодействия частиц распыленной матрицы на армирующие волокна. Благодаря малому размеру напыляемых частиц (10—100 мкм) удается сохранить прочность волокон и ограничить развитие диффузионных процессов, приводящих к образованию хрупких фаз на межфазной границе.

  Напыляемые  частицы разгоняются в плазменной струе до 50-150 м/сек, при соударении с волокнами интенсивно деформируются  и проникают между ними, образуя  мелкокристаллическую пористую матрицу. Удар расплавленной частицы о  поверхность волокна сопровождается ударным (напорным) давлением до 2000 МПа. Образование прочного соединения волокна с матрицей в этом процессе происходит уже в твердом состоянии после практически мгновенной кристаллизации тонкого пограничного слоя частицы.

Пластическое  деформирование

  В большинстве случаев конструкционные композиты с металлической матрицей получают пластическим деформированием сборных заготовок из полуфабрикатов. Основная задача такого деформирования — преобразование неплотной заготовки в компактный полуфабрикат или изделие с прочным соединением матрицы с армирующими волокнами без нарушения сплошности и термического разупрочнения арматуры.

  При пластическом компактировании композитов необходимо учитывать ряд требований к параметрам технологического процесса. Такие требования обычно формулируются в виде критериев — условий типа равенств или неравенств, связывающих параметры композита и процесса компактирования.

Критерий  полного уплотнения. Во многих случаях критерий, определяющий параметры процесса, имеет вид

 
где Јfc — безразмерный параметр, характеризующий степень деформации заготовки; к_пр — коэффициент неплотности заготовки (отношение суммарного объема неплотностей к объему, ограниченному контуром заготовки). Коэффициент неплотности специально расчитывается для каждого типа армирования композита.

Применяется также  критерий вида

Рк > о~с,

где Рк — давление компактирования полуфабриката; <т_с — среднее напряжение течения матрицы в структурной ячейке композита.

Критерий  сохранения сплошности волокон    имеет вид

Рк < о-/,

где Рк — давление компактирования; a f — величина, характеризующая сопротивление волокон разрушению при поперечном сжатии. В том случае, когда в качестве армирующих элементов используется металлическая микропроволока, за Of принимается предел текучести металла при температуре процесса компактирования. 

Критерий  прочного соединения компонентов   определяет условие вида

где tfc — длительность процесса компактирования; t_c — время, необходимое для формирования прочного соединения компонентов композита.

В общем случае процесс формирования прочного соединения разнородных материалов можно разделить на три стадии, каждая из которых характеризуется собственной длительностью: стадия образования физического контакта (сближение атомов соединяемых поверхностей), характеризующегося действием на межкомпонентных границах сил Ван-дер-Ваальса и слабым химическим взаимодействием; стадия образования «активных центров» на контактирующих поверхностях за счет скопления дислокаций и т. п. деформационных явлений, благодаря которым формируется прочная химическая связь между компонентами; стадия реакционного взаимодействия, образования промежуточных фазовых прослоек и т. п. в зоне контакта компонентов композита.

При компактировании  композитов время t_c практически полностью определяется длительностью второй стадии.

Критерий  предотвращения термического разупрочнения волокон   связан с определением оптимальной температуры процесса компактирования, от которой зависят также и значения других критериальных параметров, в т. ч., перечисленные выше. Критериальное выражение имеет вид

Т_к < Т*,

где Tk — температура деформирования заготовки; Т* — критическая температура, при которой начинается активное разупрочнение волокон;

  Этот  критерий ограничивает рост температуры  с целью повышения деформационных характеристик матрицы и облегчения процесса компактирования. Для хрупких волокон допускается снижение прочностных свойств при компактировании не более чем на 5%, в редких случаях — на 10%.

1.2.    Основные типы металлических матриц

  При производстве металлокомпозитов для формования матриц используются многие металлы. В табл. 1.5 приведены механические характеристики некоторых их них, применяемых наиболее широко. В табл. 1.6 представлены механические характеристики металлических волокон (микропроволок) используемых для армирования металлических матриц.

Таблица 1. Основные механические характеристики металлов 

 
 
Таблица 2. Основные механические характеристики металлических волокон 

  В таблицах 1.5 и 1.6 представлены следующие  характеристики: р — плотность, аь — предел прочности при растяжении, Е — модуль упругости при растяжении, d — диаметр волокон. 
 

Матрицы на основе алюминия

  Основным  требованием к матрицам на основе алюминия и его сплавов является совместимость с материалом армирующих волокон при температурах- 33-

получения и эксплуатации КМ. Для них характерны высокие значения прочности и пластичности при нормальной и повышенной температурах, высокие технологические свойства и коррозионная стойкость. Алюминиевые матрицы армируются высокопрочными и высокомодульными волокнами, что позволяет повышать жесткость и прочность КМ. Для армирования применяются волокна стали, бора, борсика, углерода, карбида кремния, вольфрама, молибдена, бериллия, титана, диоксида кремния и других материалов. Такие композиты используются в основном в авиационной и космической технике, а также при изготовлении деталей двигателей.

 
Матрицы на основе магния