ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МНОГОФАЗНЫХ ВОЛОКНАХ

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
Борные волокна. Использование борных волокон в композитах позволяет обеспечивать высокий уровень прочностных, усталостных характеристик и высокое значение модуля упругости.
Наиболее широко распространена технология получения борных волокон на основе количественного осаждения бора из газовой фазы. Обычно используют газовую смесь водорода Н
и трихлорида бора ВС1
Химическая реакция, приводящая к выделению элементарного бора, протекает в соответствии со схемой: 2 ВС1з +3 Н
—> 2В+6 НС1, при этом только 2% ВС1
разлагается с осаждением бора на основу (углеродную или вольфрамовую нить).
Впервые борные волокна были получены осаждением на вольфрамовую нить (боровольфрамовые волокна) в реакторе, принцип которого иллюстрирует рис. 6.1. Этот принцип, с небольшими изменениями, практически сохранен и для бороуглеродных волокон.
Бор осаждается на раскаленную пропускаемым током вольфрамовую или углеродную нить диаметром 12,5 мкм при температуре вольфрамовой основы 1350 °С. Этот процесс осуществляется за одну или несколько стадий. Обычно внутренний диаметр реактора составляет около
Рис. 6.1. Схема реактора для получения борных волокон одностадийным методом осаждения при нагревании:.
1 - подаюший барабан; 2 - штуцер для подачи газовой смеси; 3 - камера осаждения;.
4 - штуцер для удаления газов; 5 - приемный барабан; 6 - электрод; U
- потенциал, необходимый для нагревания нити.
В промышленности выпускают волокна диаметром 100, 140,200 мкм. Чтобы получить продукцию с максимально высокими характеристиками и большим содержанием бора, необходимо строго выдерживать скорость осаждения и другие технологические режимы в реакторе. Заметим, что температурный профиль в процессе осаждения бора из газовой фазы неравномерен по длине волокна в реакторе (Т! > Т
> Т
), так как по мере осаждения бора меняется электрическое сопротивление волокна. Электросопротивление, температура волокна и скорость осаждения бора уменьшаются от начала к концу реактора. Температурный профиль можно поддерживать практически постоянным, если применить двухстадийную (или более) схему подведения электрического тока к подложке.
10 мм, а его длина— около 2 м. Скорость получения борных волокон не превышает 900 граммов за неделю.
Борные волокна обладают большей по сравнению с другими типами армирующих волокон сдвиговой жесткостью. Модуль сдвига превышает 180 ГПа. Прочность борных волокон имеет заметный статистический разброс (коэффициент вариации прочности колеблется в пределах 17 - 36%). Механические характеристики некоторых типов борных волокон приведены в табл. 6.1.
Использование в композите борных волокон благодаря их полупроводниковым свойствам приводит к понижению тепло- и электропроводности.
Волокна бора используют в производстве композитов с алюминиевыми и полимерными матрицами. Композиты с алюминиевыми матрицами имеют ряд преимуществ: их возможно эксплуатировать при температурах до 640 К и перерабатывать на обычном технологическом оборудовании, используемом в металлургической промышленности.
Страна,.
марка.
волокна
Плотность.
.
кг/м
Диаметр d, мкм
Модуль упругости E i, ГПа
Средняя прочность на базе 10 мм,
Предельная.
деформация.
£,%
США.
Avco (B/W)
2,5
98
390-400
3,39
0,85
Япония
2,5
97,2
363-386
3,74
1,0
Toshiba (B/W)
2,5
96,8
378-388
3,58
0.93
2,5
99
374-393
3,23
0,84
Франция SMPE (B/W)
2,5
100±5
408
3,57
0,88
ФРГ Wacker-Chemie (B/W)
2,54
100±5
420
3,10
0,74
Россия (B/W)
2,5
95±3
394
2,95, 3,5
0,75 - 0,9
К недостаткам борных волокон следует отнести сложность их переработки методом намотки изделий с малыми радиусами кривизны, а также резкое падение механических характеристик при температурах, превышающих 400°С в результате окисления бора. Кроме того, боровольфрамовые волокна имеют довольно высокую стоимость, что обусловило необходимость использования более дешевых углеродных волокон в качестве основы при получении борных волокон.
Обычно используют углеродные волокна, полученные карбонизацией (графитацией) исходных фенольных или пековых одиночных нитей (см. раздел 3.3) диаметром 10-20 мкм.
В настоящее время борокомпозиты применяют в производстве изделий авиационной, ракетной и космической техники, где определяющим критерием качества материала являются удельные значения прочности и жесткости. В основном их используют для изготовления стержневых элементов и панелей, а также для усиления профилей и элементов конструкций летательных аппаратов.
Волокна карбида кремния. С целью повышения термостойкости в последнее время все больше разработчиков композиционных материалов стали привлекать волокна из карбида кремния. Карбидокремниевые волокна SiC выполняют как на вольфрамовой, так и на углеродной подложках. Благодаря своим физико-механическим свойствам волокна этого типа обычно применяют в металлокомпозитах для эксплуатации при длительном воздействии высоких температур.
Получение SiC-волокон во многом сходно с процессом получения борного волокна (см. рис. 6.1). Вместо ВС1з в реактор аналогичного устройства подают смесь алкилсиланов с водородом. В настоящее время SiC-волокна предпочтительнее изготавливать с использованием в качестве основы углеродного волокна.
Кроме того, процесс получения SiC-волокон более экономичен, так как для получения 1 кг SiC-волокон необходимо всего 8 кг силана, в то время как для получения 1 кг борного волокна необходимо 15 кг. Скорость получения SiC-волокон в реакторе вдвое выше скорости получения борного волокна.
Рассмотрим основные физико-механические характеристики волокон карбида кремния на вольфрамовой подложке (табл. 6.2).
Таблица 6.2
Плотность, кг/м
3,3
Модуль упругости, ГПа
400-500
Прочность при растяжении, ГПа
2-4
Карбидокремниевые волокна на углеродной подложке более дешевые, но имеют пониженные прочностные характеристики и повышенную чувствительность к поверхностным дефектам. Это обусловлено тем, что данный тип волокон имеет мелкозернистое строение, углеродный сердечник слабо связан со слоем карбида кремния, и остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое меньше, чем в карбидокремниевых волокнах на вольфрамовой подложке.
Композиты на основе карбидокремниевых волокон используют в конструкциях ядерных силовых установок, высокотемпературных подшипниках, направляющих и рабочих лопатках газотурбинных двигателей, носовых обтекателях ракет.
Технология получения: волокна В (бора) и SiC получают осаждением из газовой фазы В и SiC на нагретую до 1373 - 1473 К поверхность вольфрамовой проволоки диаметром 12,5 мкм; диаметр выпускаемого волокна 90- 150 мкм. Используется одно- или двухмерный реактор, через который со скоростью 4,7-18 м/с протягивается вольфрамовая нить, нагретая током, подводимым через заторы-контакты.
Волокна борсик. Логичным продолжением многофазных волокон стала разработка трехфазного волокна, сочетающего положительные свойства обеих волокон.
С целью повышения жаростойкости борных волокон их покрывают карбидом кремния, осажденным из парогазовой фазы в среде аргона и водорода. Такие волокна называют борсиком.
Толщина наносимого слоя SiC - 3 — 5 мкм, такое покрытие повышает жаростойкость, поэтому борсик используется в теплонагруженных конструкциях и с жаростойкими матрицами.