CC BY
115
УДК 006:67.02
МЕТОД ПРОПИТКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ И ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦАМИ
Антон Владимирович Владимиров
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (923)241-27-32, е-mail: [email protected]
Анна Дмитриевна Зонова
Филиал «Тепловые сети» АО «СИБЭКО», 630007, Россия, г. Новосибирск, ул. Серебренников-ская, 4, кандидат технических наук, инженер, тел. (913)782-60-87, е-mail: [email protected]
В статье рассматриваются теоретические основы и технологические приемы получения (метод пропитки) композиционных материалов (КМ) с металлической и полимерной матрицами, а также сферы применения КМ в различных отраслях народного хозяйства.
Ключевые слова: композиционные материалы, полимеры, армирующий каркас, композиты с металлической матрицей, волокна, армирующий компонент, материалы, свойства, технология, пропитка, методика, эксплуатация.
IMPREGNATION METHOD OF COMPOSITE MATERIALS WITH METALLIC AND POLYMER MATRIX
Anton V. Vladimirov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of Nanosystems and Optics, tel. (923)241-27-32, е-mail: [email protected]
Anna D. Zonova
Branch «Thermal networks» of JSC «SIBEKO», 630007, Russia, Novosibirsk, 4 Serebrennikov-skaya St., Ph. D., engineer, tel. (913)782-60-87, e-mail: [email protected]
In the articleare consideredthe theoretical bases and technological methods of obtaining (impregnation method)composite materials (CM) with metal and polymer matrices, as well as the application of CM in various branches of the national economy.
Key words: composite materials, polymers, reinforcing frame, composites with a metal matrix, fibers, reinforcing component, materials, properties, technology, impregnation, technique, exploitation.
Актуальность работы обусловлена тем, что основные преимущества метода пропитки перед твердофазными методами состоят в возможности получения изделий сложной формы, повышенной производительности процесса, меньшем силовом воздействии на хрупкие компоненты, возможности использования жгутовых и тканных армирующих материалов, реализации непрерывных технологических процессов. Пропитанные материалы широко применяют для изготовления электрических контактов, подшипников скольжения, конструктивных элементов с повышенными демпфирующими свойствами, в качестве высокопрочных; термостой-
ких, жаропрочных, окалиностойких материалов и др. Их применение в технике с каждым годом расширяется, появляются новые системы с неизвестными ранее свойствами.
В работе раскрываются особенности методов пропитки полимеров. Акцент сделан на композиционные материалы с металлической матрицей [1].
Композиционные материалы (композиты) - многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т. д.
Композиты с металлической матрицей (англ. metalmatrixсomposites) - композиты, матрицей в которых является металл или металлический сплав. Типичными композитами с металлической матрицей являются бороалюминий (волокно бора -матрица на основе алюминиевых сплавов), углеалюминий (композиты с углево-локном), композиты с волокном карбида кремния в титановой или титан-алюминидной матрице, а также с оксидными волокнами в матрице на основе никеля. Последние позволяют существенно поднять (до 1200 °С) рабочую температуру жаропрочных материалов.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ, или армированные пластики) являются разновидностью пластмасс. Они отличаются тем, что в них используются не дисперсные, а армирующие, то есть усиливающие наполнители (волокна, ткани, ленты, войлок, монокристаллы), образующие в ПКМ самостоятельную непрерывную фазу. Отдельные разновидности таких ПКМ называют слоистыми пластиками. Такая морфология позволяет получить пластики с весьма высокими целевыми характеристиками (деформационно-прочностными, усталостными, электрофизическими, акустическими и иными), соответствующими самым высоким современным требованиям.
Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений. К ним можно отнести эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.
Технологические приемы, используемые при получении КМ методом пропитки, отличаются, главным образом, способами создания давления на жидкий металл, которое должно обеспечить заполнение межволоконного пространства или пор твердого тела [4].
Армирующий каркас изготавливается из различных волокон (углеродных, металлических, борных и др.), а матрица представляет собой более легкоплавкий металл - обычно алюминий, магний, олово или сплавы на их основе (рис. 1-2).
В технологических процессах получения КМ методом пропитки важнейшую роль играют явления смачивания твердых тел (волокон) жидкостью (расплавом матрицы) и растекания жидкостей на поверхности твердых тел. Данный метод широко применяется для изготовления различных КМ. Повышенный интерес к нему обусловлен тем, что он позволяет изготавливать композиты, получение которых другими методами либо невозможно, либо нерационально.
Рис. 1. Собранная на рамке модель ПАС 3Д с каркасом из стальной проволоки
Рис. 2. Извлеченный каркас из стальной проволоки
В отличие от волокнистых композитов, в дисперсно-упрочненных материалах матрица является основной несущей нагрузку составляющей, а дисперсные частицы тормозят движения дислокаций, повышая предел текучести и прочность материала. Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500 нм и равномерном их распределении в матрице. Дисперсно-упрочненные композиты могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.
Для изготовления композиционных материалов с металлической матрицей необходимо:
1. Выбрать вид армирующего компонента (т.е. материал проволоки) и саму проволоку и значение объемной доли волокон (в волокнистых композиционных материалах величина меняется от 0 до 70 %).
2. Рассчитать длину проволоки (армирующего компонента) при заданной объемной доле волокон [1].
Методика расчета. Из проволоки готовится армирующий каркас, который представляет собой ряд (много) параллельных нитей. Длина одной нити соответствует длине будущего образца композиционного материала.
Армирующий каркас помещается внутри кварцевой трубки около ее конца. Предварительно определяется объем будущего образца композиционного материала (¥обр), который равен внутреннему объему конца кварцевой трубки, в который
помещается армирующий компонент:
Ковр = мм3
где гтр - внутренний радиус кварцевой трубки;
1обр - длина образца (50 мм).
Армирующий каркас изготавливают путем укладки отдельных нитей проволоки на длине 50 мм и загибом их (рис. 3). Затем необходимо вставить армирующий каркас в конец кварцевой трубки до упора в пористую кварцевую пробку, ко-
торая предназначена для предотвращения проникновения расплава алюминия (олова) при его подъеме из тигля. При вакуумной пропитке кварцевую трубку держат в штативе над печью, т.е. не опускают в печь (рис. 4).
а)
б)
Рис. 3. Схема изготовления армирующего каркаса: а) продольный вид; б) поперечное сечение
Рис. 4. Установка в собранном виде 133
Если алюминий (или олово) расплавился, осторожно при помощи штатива опускают кварцевую трубку в печь (в отверстие в крышке печи) и далее в расплав алюминия (олова) в тигле на заданную глубину. Через 5 мин. при помощи штатива поднимают кварцевую трубку из тигля и далее из печи (при этом нагрев печи отключается). Кварцевую трубку отделяют от вакуумной трубки и извлекают из штатива. Конец кварцевой трубки, в котором находится отвердевший композиционный материал, разбивают аккуратно молоточком. Кварц легко разрушается и остается чистый образец композиционного материала цилиндрической формы. Очищают поверхность образца от остатков кварца.
Затем визуально (или под микроскопом) изучают поперечное сечение полученного образца композиционного материала (рис. 5).
Рис. 5. Визуальное изучение поперечного сечения полученного образца композиционного материала (изображение получено на камеру)
Недостатком вакуумной пропитки углеродных волокон сплавами алюминия и магния является неполное и неравномерное проникновение материала матрицы в межволоконное пространство, неравномерная укладка, касание и спекание волокон [1].
Основные приложения КММ в настоящее время - аэрокосмические конструкции, поэтому в будущем они могут заменить металлические сплавы во многих наземных приложениях, в том числе в автомобильной технике.
Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. В качестве полимерного материала могут выступать, например, полипропилен - синтетический термопластичный неполярный полимер, принадлежащий к классу полиолефинов, продукт полимеризации пропилена; полиакрилаты - полимеры сложных эфиров акриловой кислоты или метакриловой кислоты. Это клейкие, каучукоподобные или твердые вещества [3]. ПЭТ (или ПЭТФ, полиэтилентерефталат) - это термопластичный полимер, являющийся самым распространенным среди полиэфиров; поливинилхлорид (ПВХ) - универсальный термопластичный полимер, получаемый полимеризацией винилхлорида; полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) представляет собой пластичный, слегка матовый, воскообразный на ощупь материал
белого цвета; полистирол - синтетический полимер класса термопластов, твердое стеклообразное вещество, жесткий, хрупкий, аморфный полимер с высокой степенью оптического светопропускания, невысокой механической прочностью; АБС-пластик - материал по своим свойствам напоминает обычную пластмассу, но в отличие от полистирола такой пластик имеет невысокие электроизоляционные свойства [2].
Применение таких композитов в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30 % веса летательного аппарата. Многие широко используемые материалы являются композитными полимерными материалами, например, конструкционные материалы широкого назначения на основе реактопластов с волокнистыми наполнителями, шины автомобилей, зубные пломбы, различные покрытия. Их применение в технике с каждым годом расширяется, появляются новые системы с неизвестными ранее свойствами [5].
Разработанные макеты и самостоятельно изготовленные единичные образцы каркасов композиционных материалов, а также специально разработанных установок позволят решить следующие задачи магистерской работы:
1) исследовать основные свойства различных видов композиционных материалов;
2) разработать разные виды каркасов и рассмотреть применяемые для их создания средства измерений и вспомогательные инструменты;
3) провести экспериментальные исследования предложенного метода и оценить полученные результаты.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Владимиров А. В. Изготовление и определение свойств композиционных материалов с различными матрицами // LXIV студенческая научная конференция СГУГиТ, 4-9 апреля 2016 года : сб. тезисов докладов. - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - С. 151-153.
2. ГОСТ Р 50583-93 ГСИ. Материалы композиционные полимерные: нац. стандарт РФ. - Введ. 16.07.1993. - М. : Изд-во стандартов, 1993. - 8 с.
3. ГОСТ Р 56656-2015 ГСИ. Композиты металлические. Метод определения характеристик прочности при растяжении армированных волокнами композитов с металлической матрицей: нац. стандарт РФ. - Введ. 201.10.2015. - М. : ИПК Изд-во стандартов, 2001. - 18 с.
4. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для вузов, допущено УМО / В. Б. Арзамасов [и др.] ; под ред. В. Б. Арзамасов, А. А. Черепахина. - 3-е изд., стер. - М. : Академия, 2011. - 446 с.
5. Хохлов А. Р., Говорун Е. Н. Композиты с полимерной матрицей [Электронный ресурс] // Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов. - Электрон. дан. - 2016. - Режим доступа: http://thesaurus.rusnano.com/- Загл. с экрана.
© А. В. Владимиров, А. Д. Зонова, 2017
