- •1Воронеж 2014
- •Введение
- •Глава 1. Металлы Общие сведения о металлах
- •1.1. Классификация металлов
- •1.2. Физико-механические свойства металлов
- •1.3. Общие химические свойства металлов
- •1.4. Черные металлы
- •1.4.1. Железо, кобальт, никель
- •1.4.2. Хром, молибден, вольфрам
- •1.4.3. Марганец, технеций, рений
- •1.4.4. Ванадий, ниобий, тантал
- •1.5. Легкие металлы
- •1.5.1. Бериллий и магний
- •1.5.2. Алюминий
- •1.5.3. Титан
- •1.6. Цветные металлы
- •1.6.1. Медь, серебро, золото
- •1.6.2. Цинк и кадмий
- •1.6.3. Олово и свинец
- •1.7. Особенности эксплуатации металлов и сплавов в нефтегазовом комплексе
- •Глава 2. Полимерные материалы и пластмассы Общие сведения о полимерах и пластмассах
- •2.1. Классификация полимеров
- •2.2. Способы получения полимеров
- •2.3. Свойства полимеров
- •2.4. Применение полимеров
- •2.5. Полимеры и пластмассы в нефтегазовом комплексе и промышленной теплоэнергетике
- •2.5.1. Трубы из высокопрочных пластмасс
- •2.5.2. Металлические и пластмассовые покрытия для труб
- •2.6. Трубопроводы из резиновых технических материалов
- •2.7. Неметаллические трубы в нефтегазовом комп-лексе и промышленной теплоэнергетике
- •Глава 3. Композиционные материалы Определение композиционных материалов
- •3.1. Классификация композиционных материалов
- •3.2. Матричные материалы
- •3.3. Армирующие элементы
- •3.3.1. Металлические волокна
- •3.3.2. Стеклянные, кварцевые волокна
- •3.3.3. Углеродные волокна
- •3.3.4. Органические волокна
- •3.3.5. Керамические волокна
- •3.3.6. Нитевидные кристаллы (усы)
- •3.4. Углерод-углеродные, керамические и гибридные композиционные материалы
- •Углерод-углеродные композиционные материалы
- •3.4.2. Керамические композиционные материалы
- •3.4.3. Гибридные композиционные материалы
- •3.5. Применение композиционных материалов
- •3.5.1. Применение композитов в авиа- и ракетостроении
- •3.5.2. Применение композитов при изготовлении товаров массового потребления
- •3.5.3. Перспективы применения композиционных материалов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Глава 1. Металлы
- •Глава 2. Полимерные материалы
- •Глава 3. Композиционные материалы……………129
- •Конструкционные материалы в авторской редакции
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
3.3. Армирующие элементы
Армирующие элементы - важнейшие компоненты композиционных материалов. Для армирования композитов используются тысячи материалов в различном структурном состоянии. Химический состав, структурное состояние и геометрические параметры армирующих элементов определяются требованиями, предъявляемыми к материалу. Большое значение имеет тип матрицы, выбранной для изготовления композиционного материала.
Для производства полимерных композиционных материалов чаще применяют стеклянные, углеродные, борные и органические волокна. Сравнительная характеристика волокон этого типа приведена в табл. 19. При создании композитов с металлической матрицей в качестве арматуры применяются тонкие стальные проволоки, проволоки из вольфрама, бериллия, ниобия, титана и других металлов.
Ниже приводятся особенности изготовления различного типа волокон и их применения в композиционных материалах.
3.3.1. Металлические волокна
Одним из наиболее экономичных типов упрочняющих элементов в композиционных материалах является металлическая проволока. Производство металлической проволоки представляет собой хорошо отлаженный технологический процесс. Получают ее методом волочения. Свойства металлической проволоки разных сортов позволяют эффективно использовать ее при производстве композитов. По сравнению с другими видами волокон металлическая проволока более технологична. С помощью текстильных методов проволока малых диаметров может быть переработана в сетки, используемые для упрочнения композиционных материалов.
Для упрочнения композиционных материалов часто используется проволока из высокоуглеродистых и низколегированных сталей, нержавеющих, мартенситно-стареющих сталей, вольфрама, молибдена, титана, ниобия, других металлов и сплавов.Сравнительная характеристика волокон, используемых при производстве композиционных материалов
При температуре эксплуатации композитов в диапазоне 11 ...623 К эффективно применение высокопрочной проволоки из нержавеющих сталей. Благодаря относительно высокой теплостойкости и наличию пассивной поверхности проволоки из нержавеющих сталей слабо взаимодействуют с матричными материалами.
Применение проволоки из мартенситно-стареюхцих сталей эффективно в качестве упрочнителя при производстве композиционных материалов на основе легких металлов и сплавов. Упрочнение мартенситно-стареющих сталей происходит в результате процесса старения при температурах ~ 480...500 °С. Если процесс формирования композиционного материала проводить при этих температурах или близких к ним, механические свойства мартенситно-стареющей проволоки будут наиболее высокими. Проволока из углеродистой стали при температурах формирования композиционных материалов на основе алюминия и других легких металлов разупрочняется.
Высокопрочная стальная проволока чувствительна к дефектам внутреннего строения и поверхностным дефектам. Поэтому с увеличением длины проволоки средний уровень ее прочности снижается.
При производстве композиционных материалов металлическая проволока используется в виде отдельных волокон или сеток. Тканые сетки можно изготавливать только из высокопластичных материалов, обладающих, как правило, низкими прочностными свойствами. Другой их недостаток заключается в образовании пережимов в местах контакта проволоки основы и проволоки утка.
Недостатков, присущих тканым металлическим сеткам, лишены вязаные сетки трикотажного плетения. Различают сетки типа «кулирная гладь», «ластик», «фанг», «полуфанг». Для изготовления сеток трикотажного плетения пригодны высокопрочные проволоки с малыми значениями относительного удлинения (2...3 %) диаметром 20...200 мкм. Объемная структура сеток обеспечивает малый уровень контактных напряжений, в результате чего разрушение сеток происходит не в местах контакта проволочек, а по их длине.
При получении композитов на основе меди, никеля, кобальта, титана и их сплавов в качестве упрочняющих волокон используют вольфрамовую и молибденовую проволоки, характеризующиеся высокой прочностью и жесткостью. По величине модуля упругости вольфрам уступает только осмию, иридию и рению. Высокие прочностные свойства вольфрама и молибдена проявляются как при комнатной, так и при повышенных температурах.
Технологические процессы получения этих видов проволоки основаны на использовании в качестве исходного сырья порошков вольфрама и молибдена. Основными стадиями при изготовлении вольфрамовой проволоки являются: восстановление водородом вольфрама из оксида; прессование порошка вольфрама и получение заготовок в виде штабиков; спекание штабиков в атмосфере водорода; глубокий прогрев с целью сварки штабиков при температуре, близкой к температуре плавления; ротационная ковка с целью получения компактной прутковой заготовки; волочение заготовки на цепных волочильных станах; волочение проволоки на барабанных волочильных станах. Минимальный размер вольфрамовой проволоки составляет ~ 20 мкм. Вольфрамовая и молибденовая проволока диаметром 20...80 мкм используется для изготовления тканых и трикотажных сеток.
При создании металлических композиционных материалов наиболее важно достичь термодинамической совместимости компонентов, т. е. отсутствия диффузионного и химического взаимодействия между волокном и матрицей. Количество систем с термодинамической совместимостью компонентов ограничено. Наиболее активное взаимодействие между волокном и матрицей происходит при реализации жидкофазных способов получения металлических композиционных материалов. Кроме того, активное взаимодействие компонентов имеет место при эксплуатации композиционных материалов при высоких температурах.
Металлические композиты на основе никелевой матрицы, упрочненной вольфрамовыми и молибденовыми волокнами, предназначены для работы при 1000...1200 °С. При этих температурах термодинамическая стабильность системы отсутствует, происходит нежелательное взаимодействие между компонентами композиционных материалов. Повысить стабильность межфазных границ (между волокном и матрицей) можно нанесением на волокна противодиффузионных покрытий. Для вольфрамовых и молибденовых волокон в качестве такого рода защитных покрытий рекомендуют использовать нитрид титана, оксиды тория, алюминия и циркония.
Высокими значениями удельной прочности и высокой коррозионной стойкостью обладает титановая проволока. Предел прочности проволоки диаметром 800 мкм, изготовленной из сплава ВТ9, составляет 1820 МПа. В композиционных материалах титановая проволока применяется в виде непрерывных и дискретных волокон.
В композиционных материалах может быть использована также биметаллическая проволока. Объемная доля плакирующего слоя в ней может достигать 20...40 %. Технология изготовления проволоки такого типа заключается в получении (литьем, сваркой, пайкой, металлизацией, гальваническим осаждением) биметаллической заготовки и последующем ее волочении. Механические свойства биметаллической проволоки определяются типом используемых материалов и их соотношением. При изготовлении композитов такая проволока используется в виде волокон, сеток и как полуфабрикат для получения композиционных материалов укладкой с последующим уплотнением взрывом, сваркой, прессованием.
Разработаны и другие технологические процессы, позволяющие получать металлические волокна. Один из них основан на получении расплава и продавливании его через отверстия.