Ваграночное производство

  Магниевые сплавы отличаются малой плотностью, высокой удельной прочностью, высокими демпфирующими способностями, хорошо поддаются резанию. Существенным достоинством магниевых матриц является то, что они практически не вступают в химические реакции с основными классами армирующих волокон. Недостатком таких матриц является пониженная коррозионная стойкость, что требует применения специальных мер по защите поверхности изделий из таких материалов. Магниевые матрицы армируются волокнами бора, углеродными, карбида кремния, стали, титана, тантала, оксида алюминия. Для создания изделий из композитов на основе магниевых матриц используются такие технологии, как диффузионная сварка, литье, пропитка. Такие изделия применяются при изготовлении деталей летательных аппаратов и ядерных реакторов.

 
Матрицы на основе титана

  Комплекс  физико-механических свойств, присущих титану и его сплавам (высокая  прочность, коррозионная стойкость, нехладноломкость, немагнитность, низкая плотность, сравнительно невысокие тепло- и электропроводность, невысокий коэффициент температурного расширения и др.), делает эти материалы одними из наиболее перспективных для использования в авиационной и космической технике. Армирование титана и его сплавов высокомодульными волокнами позволяет значительно повысить жесткость этих материалов. Такие материалы характеризуются высокой удельной прочностью, жаростойкостью, малой анизотропией свойств. Для армирования используют бор, борсик, бериллий, карбид кремния.

  Матрицы на основе меди

  Характерные черты меди и ее сплавов — высокие тепло- и электропроводность, высокая коррозионная стойкость, пластичность. Основным недостатком подобных материалов является их низкая прочность при повышенных температурах. С целью уменьшения этого недостатка медь армируют волокнами вольфрама, железа, графита и других материалов. КМ на основе меди в основном применяются в электротехнике в качестве заменителей чистой меди и ее сплавов.

Матрицы на основе никеля

  Никель  и его сплавы в основном армируются волокнами тугоплавких металлов, керамическими и углеродными волокнами с целью повышения жаропрочности никеля и его сплавов. Армирование обычно проводится жидкофазными методами, особое внимание уделяется предотвращению химического взаимодействия матрицы с армирующими волокнами. Применяются такие материалы в основном для изготовления высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей: сопловых лопаток, деталей камер сгорания, тепловых экранов и т. п.

Матрицы на основе кобальта

  Кобальт для изготовления КМ используется довольно редко, что объясняется его высокой стоимостью и малыми объемами, поступающими в производство. Механические свойства кобальта зависят от способа его получения и режимов термообработки. Материалы на основе кобальта находят применение в двигателестроении при изготовлении деталей, работающих в условиях высоких температур: лопаток газовых турбин, деталей камер сгорания, топливных насосов турбин, конструктивных элементов сопел двигателей. Для армирования используются в основном вольфрам и молибден, реже — оксид алюминия, карбид кремния, углеродные волокна.

1.3    Некоторые свойства металлокомпозитов

  Одним из наиболее распростаненных конструкционных  металлокомпозитов является бороалюминий. Объемное содержание волокон бора в  таких материалах составляет около 50%. Материал такого состава способен выдерживать достаточно высокие нагрузки в течение длительного времени (100 часов —500° С - 400 МПа или 100 часов - 300° С - 600 МПа). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2. Достоинства и недостатки жидкофазных способов получения металлических композиционных материалов

       Одним из наиболее перспективных технологических  процессов получения композиционных материалов является метод пропитки.

        В качестве основных достоинств метода пропитки, отмечаются:

• возможность получения изделий сложной формы;
• повышенная производительность процесса;
• слабое силовое воздействие на хрупкие компоненты композита;
• возможность использования жгутовых и тканых армирующих  материалов;
• возможность максимальной автоматизации и реализации непрерывных технологических процессов.

       Недостатки  технологии следующие:

• сравнительно высокие температуры нагрева материалов;
• необходимость строгого регулирования степени взаимодействия жидкой и твердой фаз в ходе технологического цикла (из-за 
  большой скорости протекания диффузионных и химических процессов на границе раздела фаз);
• ограниченность круга компонентов в связи с необходимостью смачивания и большой разницей в температурах плавления.

       Некоторые композиты можно получить лишь методом пропитки, применение для этого других методов либо невозможно, либо нерационально. Метод пропитки используют для изготовления металлов, армированных углеродными волокнами, ряда псевдосплавов и керметов, предназначенных для высокотемпературной эксплуатации. Методом пропитки можно изготовить не каждый композиционный материал с металлической матрицей. Существенные ограничения накладывает межфазное взаимодействие. Для систем, образованных из компонентов, не растворимых один в другом в жидком и твердом состояниях, этот метод обычно эффективен, если обеспечивается смачивание более тугоплавкого компонента расплавом менее тугоплавкого. Однако круг таких композиций ограничен. Возникают проблемы смачивания, совместимости компонентов, структурной стабильности.[3] 

       2.1 Смачивание поверхности  и пропитка твердых  тел 

       Межфазное взаимодействие определяет и даже прогнозирует свойства композиционных материалов. Эти взаимодействия не должны ухудшать свойства компонентов, слагающих композит. Они должны четко контролировать все процессы, происходящие на межфазных границах композита.

       Межфазные взаимодействия описываются такими понятиями, как адгезия и смачивание. Адгезия – это процесс, сопровождающий взаимодействие приведенных в контакт  поверхностей. Если одним из компонентов, участвующих в контакте, является жидкая фаза, то этот процесс называется смачиванием.

       Поверхности, которые приводятся в контакт  при адгезии, называются субстратами. Субстраты – это, как правило, твердые вещества – полимеры, металлы, керамика, стекла. Жидкая фаза, участвующая в процессе адгезии, называется адгезивом – это растворы, расплавы, смолы, клеи. Адгезивы обеспечивают соединение субстратов.

       Процесс образования соединения в значительной степени определяется площадью контактов. Формирование контакта ускоряется при повышении давления между субстратами, при увеличении времени контакта, а также при снижении вязкости адгезива.

       Достижению  максимального контакта препятствует развитость микрорельефа, которая устраняется  предварительной подготовкой поверхности субстрата к контакту. Смачивание является следствием адгезии, поэтому скорость установления межфазного контакта определяется величиной угла смачивания  θ, который образуется каплей адгезива на субстрате.

        Краевой угол является мерой смачивания, а его величина зависит от соотношения поверхностных энергий.

       В процессе адгезии в равновесных  условиях выполняется уравнение  Юнга:

       θ = γs – γsl / γl

       где             γs – вектор поверхностной энергии твердого тела

                         γsl – вектор поверхностной энергии границы жидкость-твердое

                                тело

                         γl – вектор поверхностной энергии жидкой фазы

       Если  твердые тела смачиваются адгезивом, то они называются лиофильными,   а по  отношению к   воде    –    гидрофильными. В   этом    случае    0˚ < θ <90˚. Если твердые тела не смачиваются адгезивом, то θ > 90˚, и они называются лиофобные и гидрофобные. [2]

       Различают следующие варианты взаимодействия капли с поверхностью твердого тела:

• несмачивание (90° < θ < 180°);
• ограниченное смачивание (0 < θ < 90°)
• полное смачивание, когда равновесный краевой угол θ —> 0. Случай полного смачивания наблюдается, когда работа адгезии в 2 и более раза превышает поверхностное натяжение жидкости.

       В реальных случаях краевой угол смачивания может заметно отличаться от равновесного. На величину смачивания существенно влияют шероховатость поверхности, полиморфные превращения фаз, участвующих в смачивании, и другие факторы, выводящие систему из термодинамического равновесия. Например, оксидная пленка, образующаяся на поверхности твердых тел, может как увеличивать, так и уменьшать угол смачивания. В ряде случаев оксидная пленка разрушается, как это происходит при контакте молибдена и вольфрама с жидким оловом. При сравнительно низких температурах в этих системах формируются большие краевые углы, но при достаточном нагреве оксиды вольфрама и молибдена сублимируют, и смачивание резко улучшается. 

       Пропитка  материала может происходить  самопроизвольно, под действием  капиллярного давления. Капиллярное давление обусловливает подъем смачивающей и опускание несмачивающей жидкости в капиллярной трубке.

       Смачивающая жидкость под действием капиллярных  сил всегда перемещается от низшего потенциала к высшему, т. Е. происходит перекачка жидкости из широких капилляров в, узкие. Это означает, что в пористом материале пропитывающая жидкость будет перемещаться из крупных пор в мелкие. И, наоборот, несмачивающая жидкость перемещается от высшего потенциала к низшему.[3] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       3 Применение композитов на основе металлической матрицы 

       Композиционные  материалы относятся к группе высокотехнологичных материалов. Как  правило, своим появлением они обязаны  развитию таких высокоразвитых отраслей промышленного производства, как  авиа- и ракетостроение, судостроение. В то же время после обработки технологий изготовления, снижения стоимости до приемлемого уровня композиционные материалы постепенно используют и другие отрасли. В частности, они широко применяются для изготовления товаров народного потребления. Анализ условий работы современных проектируемых конструкций и темпов внедрения в производство композиционных материалов, достигнутых в последние десятилетия, позволяет обоснованно считать, что композиты можно называть материалами 21 века.[3]  

       Композиционные материалы на основе металлической матрицы находят широкое применение в различных отраслях производства.

       Волокнистые композиционные материалы с металлической  матрицей применяются при низких, высоких, сверхвысоких температурах в  агрессивных средах при статических, циклических, ударных, вибрационных и других нагрузках. Использование металлических волокнистых композитов на основе алюминия в конструкциях летательных аппаратов позволяют достичь важного эффекта – снижения массы. Алюминиевый сплав, армированный стекловолокном, содержащий оксид урана, обладает повышенной прочностью и используется в ядерных реакторах. Область применения волокнистых металлических композитов определяется не только механическими, но физическими свойствами (электрическими, магнитными, акустическими). Введение арматуры из вольфрама и молибдена в медную и серебряную матрицы позволяет получать износостойкие электрические контакты для сверхмощных высоковольтных выключателей.