المواد المركبة ذات المصفوفة المعدنية.للعمل في درجات حرارة أعلى، يتم استخدام المصفوفات المعدنية.
تتمتع CM المعدنية بعدد من المزايا مقارنة بالبوليمر. بالإضافة إلى درجة حرارة التشغيل الأعلى، فهي تتميز بخصائص أفضل واستقرار أكبر للخصائص أثناء التشغيل، ومقاومة أعلى للتآكل.
تضفي مرونة المصفوفات المعدنية اللزوجة المطلوبة على الهيكل. وهذا يساهم في المعادلة السريعة للأحمال الميكانيكية المحلية.
من المزايا المهمة لـ CM المعدنية زيادة قابلية التصنيع لعملية التصنيع والقولبة والمعالجة الحرارية وتشكيل المفاصل والطلاءات.
ميزة المواد المركبة ذات الأساس المعدني هي ارتفاع قيم الخصائص اعتمادًا على خصائص المصفوفة. هذه هي، أولاً وقبل كل شيء، المقاومة المؤقتة ومعامل الشد للمرونة في الاتجاه العمودي على محور ألياف التسليح، وقوة الضغط والانحناء، والليونة، وصلابة الكسر. بالإضافة إلى ذلك، تحتفظ المواد المركبة ذات المصفوفة المعدنية بخصائصها خصائص القوةإلى درجات حرارة أعلى من المواد ذات القاعدة غير المعدنية. وهي أكثر مقاومة للرطوبة، وغير قابلة للاشتعال، ولها موصلية كهربائية، كما أن الموصلية الكهربائية العالية للمعادن CM تحميها جيدًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي، والبرق، وتقلل من خطر الكهرباء الساكنة. تحمي الموصلية الحرارية العالية للمعادن CM من ارتفاع درجة الحرارة المحلية، وهو أمر مهم بشكل خاص لمنتجات مثل أطراف الصواريخ وحواف الجناح الأمامية.
المواد الواعدة لمصفوفات المواد المركبة المعدنية هي المعادن ذات الكثافة المنخفضة (A1، Mg، Ti) والسبائك القائمة عليها، وكذلك النيكل، والذي يستخدم حاليًا على نطاق واسع باعتباره المكون الرئيسي للسبائك المقاومة للحرارة.
يتم الحصول على المركبات بطرق مختلفة. وتشمل هذه تشريب حزمة من الألياف مع ذوبان سائل من الألومنيوم والمغنيسيوم، ورش البلازما، واستخدام طرق الضغط الساخنة، يليها أحيانًا البثق المائي أو لف الفراغات. عند تعزيز تركيبات الساندويتش التي تتكون من طبقات متناوبة من رقائق الألومنيوم والألياف مع ألياف مستمرة، يتم استخدام الدرفلة والضغط الساخن واللحام الانفجاري واللحام الانتشاري. يتم الحصول على صب القضبان والأنابيب المقواة بألياف عالية القوة من الطور المعدني السائل. يتم تمرير حزمة الألياف بشكل مستمر من خلال حمام ذوبان ويتم تشريبها تحت الضغط بالألمنيوم السائل أو المغنيسيوم. عند الخروج من حمام التشريب، يتم جمع الألياف وتمريرها عبر مغزال لتشكيل قضيب أو أنبوب. تضمن هذه الطريقة الحد الأقصى لملء المركب بالألياف (حتى 85٪)، وتوزيعها الموحد في المقطع العرضي واستمرارية العملية.
مواد مصفوفة الألومنيوم.يتم تعزيز مواد مصفوفة الألومنيوم بشكل رئيسي أسلاك الفولاذ(CAS)، وألياف البورون (BKA)، وألياف الكربون (VKU). يتم استخدام كل من الألومنيوم التقني (على سبيل المثال، AD1) والسبائك (AMg6، V95، D20، وما إلى ذلك) كمصفوفة.
إن استخدام سبيكة (على سبيل المثال، B95) كمصفوفة، معززة بالمعالجة الحرارية (التصلب والشيخوخة)، يعطي تأثيرًا إضافيًا لتعزيز التركيبة. ومع ذلك، في اتجاه محور الألياف يكون صغيرًا، بينما في الاتجاه العرضي، حيث يتم تحديد الخصائص بشكل أساسي من خلال خصائص المصفوفة، يصل إلى 50٪.
أرخص مواد التسليح وأكثرها فعالية ويمكن الوصول إليها هي الأسلاك الفولاذية عالية القوة. وبالتالي، فإن تقوية الألومنيوم التقني بسلك فولاذي VNS9 بقطر 0.15 مم (σ in = 3600 ميجاباسكال) يزيد من قوته بمقدار 10-12 مرة مع محتوى حجم ألياف يبلغ 25% وبنسبة 14-15 مرة مع زيادة المحتوى إلى 40%، وبعدها تصل المقاومة المؤقتة إلى 1000-1200 و1450 ميجاباسكال على التوالي. إذا كنت تستخدم سلكًا بقطر أصغر للتعزيز، أي قوة أكبر (σ = 4200 ميجا باسكال)، فإن المقاومة المؤقتة للمادة المركبة ستزيد إلى 1750 ميجا باسكال. وبالتالي، فإن الألومنيوم المقوى بأسلاك الفولاذ (25-40٪) في خصائصه الأساسية يتجاوز بشكل كبير حتى سبائك الألومنيوم عالية القوة ويصل إلى مستوى الخصائص المقابلة لسبائك التيتانيوم. وفي هذه الحالة تكون كثافة التركيبات في حدود 3900-4800 كجم/م3.
إن تقوية الألومنيوم وسبائكه بألياف أكثر تكلفة B، C، A1 2 O e يزيد من تكلفة المواد المركبة، ولكن في الوقت نفسه يتم تحسين بعض الخصائص بشكل أكثر فعالية: على سبيل المثال، عند التعزيز بألياف البورون، يزداد معامل المرونة 3 -4 مرات، تساعد ألياف الكربون على تقليل الكثافة. يلين البورون قليلاً مع زيادة درجة الحرارة، لذلك تحتفظ التركيبات المقواة بألياف البورون بقوة عالية تصل إلى 400-500 درجة مئوية. وقد وجدت مادة تحتوي على 50% من ألياف البورون المستمرة عالية القوة وعالية المعامل (VKA-1) صناعية طلب. من حيث معامل المرونة والمقاومة المؤقتة في نطاق درجة حرارة 20-500 درجة مئوية، فهو يتفوق على جميع سبائك الألومنيوم القياسية، بما في ذلك عالية القوة (B95)، والسبائك المصممة خصيصًا للتشغيل في درجات حرارة عالية (AK4-1)، والذي يظهر بوضوح في الشكل. 13.35.تضمن قدرة التخميد العالية للمادة مقاومة الاهتزاز للهياكل المصنوعة منها. تبلغ كثافة السبيكة 2650 كجم/م3، والقوة النوعية 45 كم. وهذا أعلى بكثير من الفولاذ عالي القوة وسبائك التيتانيوم.
أظهرت الحسابات أن استبدال سبيكة B95 بسبائك التيتانيوم في تصنيع صاري جناح الطائرة بعناصر تقوية من VKA-1 يزيد من صلابتها بنسبة 45٪ ويوفر توفيرًا في الوزن بحوالي 42٪.
تعتبر المركبات المقواة بألياف الكربون القائمة على الألومنيوم (CFRPs) أرخص وأخف وزنًا من مركبات ألياف البورون. وعلى الرغم من أنهم أدنى من القوة الأخيرة، إلا أن لديهم قوة محددة مماثلة (42 كم). إلا أن إنتاج المواد المركبة ذات المقوي الكربوني يرتبط بصعوبات تكنولوجية كبيرة بسبب تفاعل الكربون مع المصفوفات المعدنية عند تسخينه مما يسبب انخفاض في قوة المادة. للقضاء على هذا العيب، يتم استخدام الطلاءات الخاصة من ألياف الكربون.
المواد مع مصفوفة المغنيسيوم.تتميز المواد التي تحتوي على مصفوفة مغنيسيوم (MCM) بكثافة أقل (1800-2200 كجم/م3) مقارنة بالألمنيوم، مع نفس القوة العالية تقريبًا التي تبلغ 1000-1200 ميجاباسكال وبالتالي قوة نوعية أعلى. سبائك المغنيسيوم القابلة للتشوه (MA2 وغيرها)، معززة بألياف البورون (50 حجمًا%)، لها قوة محددة > 50 كم. إن التوافق الجيد للمغنيسيوم وسبائكه مع ألياف البورون، من ناحية، يجعل من الممكن تصنيع الأجزاء باستخدام طريقة التشريب دون أي معالجة ميكانيكية لاحقة تقريبًا، ومن ناحية أخرى، فإنه يضمن عمر خدمة طويل للأجزاء عند مستويات مرتفعة درجات الحرارة. ويتم زيادة القوة النوعية لهذه المواد من خلال استخدام سبائك الليثيوم الخفيفة كمصفوفة، وكذلك من خلال استخدام ألياف الكربون الأخف. ولكن، كما ذكرنا سابقًا، فإن إدخال ألياف الكربون يؤدي إلى تعقيد تكنولوجيا السبائك منخفضة التقنية بالفعل. كما هو معروف، فإن المغنيسيوم وسبائكه يتمتعان بمرونة تكنولوجية منخفضة وميل إلى تكوين طبقة أكسيد فضفاضة.
المواد المركبة القائمة على التيتانيوم.عند إنشاء المواد المركبة القائمة على التيتانيوم، تنشأ الصعوبات بسبب الحاجة إلى التسخين إلى درجات حرارة عالية. عند درجات الحرارة المرتفعة، تصبح مصفوفة التيتانيوم نشطة للغاية؛ يكتسب القدرة على امتصاص الغازات والتفاعل مع العديد من عوامل التقوية: البورون، وكربيد السيليكون، وأكسيد الألومنيوم، وما إلى ذلك. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل مناطق التفاعل وتقليل قوة كل من الألياف نفسها والمواد المركبة ككل. وبالإضافة إلى ذلك فإن درجات الحرارة المرتفعة تؤدي إلى إعادة بلورة وتليين العديد من مواد التسليح مما يقلل من تأثير تقوية التسليح. لذلك، لتقوية المواد بمصفوفة من التيتانيوم، يتم استخدام سلك مصنوع من البريليوم وألياف السيراميك من أكاسيد حرارية (Al 2 0 3)، كربيدات (SiC)، وكذلك معادن حرارية ذات معامل مرونة عالي ودرجة حرارة إعادة تبلور عالية (Mo، W). ) يستخدم. علاوة على ذلك، فإن الغرض من التعزيز ليس في الأساس زيادة القوة النوعية العالية بالفعل، ولكن زيادة معامل المرونة وزيادة درجات حرارة التشغيل. الخواص الميكانيكية لسبائك التيتانيوم VT6 (6% A1، 4% V، والباقي A1)، معززة بألياف Mo وBe وSiC، يتم عرضها في الجدول. 13.9. كما يتبين من. الجدول، والصلابة المحددة تزداد بشكل أكثر فعالية عندما يتم تعزيزها بألياف كربيد السيليكون.
يساعد تعزيز سبيكة VT6 بسلك الموليبدينوم في الحفاظ على قيم معامل مرونة عالية تصل إلى 800 درجة مئوية. وتقابل قيمتها عند درجة الحرارة هذه 124 جيجا باسكال، أي تنخفض بنسبة 33٪، بينما تنخفض قوة الشد المؤقتة إلى 420 ميجا باسكال، أي. أكثر من 3 مرات.
المواد المركبة القائمة على النيكل. يتم تصنيع CM المقاومة للحرارة على أساس سبائك النيكل والكوبالت، المعززة بالسيراميك (SiC، Si 3 Ni 4، Al 2 O 3) وألياف الكربون. تتمثل المهمة الرئيسية في إنشاء المواد المركبة القائمة على النيكل (NBC) في زيادة درجات حرارة التشغيل فوق 1000 درجة مئوية. وأحد أفضل التعزيزات المعدنية التي يمكن أن توفر قوة جيدة في درجات الحرارة المرتفعة هذه هو سلك التنغستن. إن إدخال سلك التنغستن بكمية من 40 إلى 70 حجمًا٪ في سبائك النيكل والكروم يوفر قوة عند 1100 درجة مئوية لمدة 100 ساعة، على التوالي، 130 و 250 ميجا باسكال، في حين أن أفضل سبائك النيكل غير المقواة، المصممة للعمل في ظروف مماثلة الظروف، بقوة 75 ميجا باسكال. استخدام الأسلاك المصنوعة من سبائك التنغستن مع الرينيوم أو الهافنيوم للتعزيز يزيد هذا الرقم بنسبة 30-50٪.
تُستخدم المواد المركبة في العديد من الصناعات وبشكل أساسي في تكنولوجيا الطيران والصواريخ والفضاء، حيث يعد تقليل وزن الهياكل مع زيادة القوة والصلابة أمرًا مهمًا بشكل خاص. نظرًا لخصائص القوة والصلابة العالية الخاصة بها، يتم استخدامها في التصنيع، على سبيل المثال، المثبتات الأفقية ولوحات الطائرات، وشفرات الدوار وحاويات طائرات الهليكوبتر، وأجسام وغرف الاحتراق للمحركات النفاثة، وما إلى ذلك. استخدام المواد المركبة في هياكل الطائرات خفضت وزنها بنسبة 30-40٪، وزيادة الحمولة دون تقليل السرعة والمدى.
حاليًا، تُستخدم المواد المركبة في بناء توربينات الطاقة (عمل التوربينات وشفرات الفوهة)، وصناعة السيارات (أجسام السيارات والثلاجات، وأجزاء المحرك)، والهندسة الميكانيكية (أجسام الآلات وأجزائها)، والصناعة الكيميائية (الأوتوكلاف، والخزانات، والحاويات)، بناء السفن (هياكل القوارب والقوارب والمراوح) وما إلى ذلك.
الخصائص الخاصة للمواد المركبة تجعل من الممكن استخدامها كمواد عازلة للكهرباء (الألياف العضوية)، وأغطية شفافة راديوية (الألياف الزجاجية)، ومحامل عادية (ألياف الكربون) وأجزاء أخرى.
المواد المركبة مع مصفوفة السيراميك.للحصول على أعلى درجات حرارة التشغيل، يتم استخدام السيراميك كمادة مصفوفة. تستخدم مواد السيليكات (SiO 2)، والألومينوسيليكات (Al 2 O 3 - SiO 2)، والألومينوبورو سيليكات (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2)، وأكاسيد الألومنيوم المقاومة للحرارة (Al 2 O 3)، والزركونيوم كمصفوفات سيراميكية. (ZrO 2)، والبريليوم (BeO)، ونيتريد السيليكون (Si 3 N 4)، وبوريدات التيتانيوم (TiB 2)، والزركونيوم (ZrB 2)، وكربيدات السيليكون (SiC)، والتيتانيوم (TiC). تتمتع المركبات ذات المصفوفة الخزفية بنقاط انصهار عالية ومقاومة للأكسدة والصدمات الحرارية والاهتزازات وقوة الضغط. CM السيراميك على أساس الكربيدات والأكاسيد مع إضافات مسحوق المعادن (< 50об. %) называются سيرميت . بالإضافة إلى المساحيق، يتم استخدام الأسلاك المعدنية المصنوعة من التنغستن والموليبدينوم والنيوبيوم والفولاذ المقاوم للحرارة، وكذلك الألياف غير المعدنية (السيراميك والكربون) لتعزيز السيراميك CM. يؤدي استخدام الأسلاك المعدنية إلى إنشاء إطار بلاستيكي يحمي CM من التدمير عند تشقق المصفوفة الخزفية الهشة. عيب السيراميك المقوى بالألياف المعدنية هو مقاومته المنخفضة للحرارة. تتمتع CMs التي تحتوي على مصفوفة من الأكاسيد المقاومة للحرارة (يمكن استخدامها حتى 1000 درجة مئوية)، والبوريدات والنيتريدات (حتى 2000 درجة مئوية)، والكربيدات (أكثر من 2000 درجة مئوية) بمقاومة عالية للحرارة. عندما يتم تقوية CM الخزفية بألياف كربيد السيليكون، يتم تحقيق قوة رابطة عالية بينها وبين المصفوفة، بالإضافة إلى مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية، مما يسمح باستخدامها في تصنيع الأجزاء المحملة بشكل كبير (درجات الحرارة المرتفعة) المحامل، والأختام، وشفرات العمل لمحركات توربينات الغاز، وما إلى ذلك). يتم تعويض العيب الرئيسي للسيراميك - قلة الليونة - إلى حد ما عن طريق تقوية الألياف التي تمنع انتشار الشقوق في السيراميك.
مركب الكربون الكربون . إن استخدام الكربون غير المتبلور كمادة أساسية، وألياف الكربون البلورية (الجرافيت) كمواد تقوية، جعل من الممكن إنشاء مركب يمكنه تحمل التسخين حتى 2500 درجة مئوية. يعد مركب الكربون والكربون هذا واعدًا للملاحة الفضائية والطيران عبر الغلاف الجوي.عيب مصفوفة الكربون هو احتمال الأكسدة والاجتثاث. ولمنع هذه الظواهر، يتم طلاء المركب بطبقة رقيقة من كربيد السيليكون.
تضمن مصفوفة الكربون، المشابهة في الخواص الفيزيائية والكيميائية لألياف الكربون، الاستقرار الحراري لـ CCCM
الطرق الأكثر استخدامًا لإنتاج مركبات الكربون الكربونية هي:
1. كربنة مصفوفة البوليمر من ألياف الكربون المشكلة مسبقًاعن طريق المعالجة الحرارية ذات درجة الحرارة العالية في بيئة غير مؤكسدة؛
2. ترسب من الطور الغازي للكربون الحراري،تتشكل أثناء التحلل الحراري للهيدروكربونات في مسام الركيزة من ألياف الكربون.
كل من هذه الأساليب لها مزاياها وعيوبها. عند إنشاء UKCM غالبًا ما يتم دمجهمالإعطاء المركب الخصائص اللازمة.
كربنة مصفوفة البوليمر.عملية الكربنة هي المعالجة الحرارية لمنتج ألياف الكربون إلى درجة حرارة 1073 كلفن في بيئة غير مؤكسدة (غاز خامل، طبقة الفحم، وما إلى ذلك). الغرض من المعالجة الحرارية هو تحويل المادة الرابطة إلى فحم الكوك. أثناء عملية الكربنة، يحدث التدمير الحراري للمصفوفة، مصحوبا بفقدان الكتلة، والانكماش، وتشكيل عدد كبير من المسام، ونتيجة لذلك، انخفاض في الخواص الفيزيائية والميكانيكية للمركب.
يتم تنفيذ عملية الكربنة في أغلب الأحيان في أفران معوجة المقاومة. معوجة مصنوعة من سبيكة مقاومة للحرارة تحمي المنتج من الأكسدة بواسطة الأكسجين الجوي، وعناصر التسخين والعزل من التلامس مع المنتجات المسببة للتآكل المتطايرة من الانحلال الحراري للموثق ويضمن تسخينًا موحدًا لحجم تفاعل الفرن.
يتم تحديد آلية وحركية الكربنة من خلال نسبة معدلات تفكك الروابط الكيميائية وإعادة تركيب الجذور الناتجة. وتصاحب العملية إزالة المركبات الراتنجية المتبخرة والمنتجات الغازية وتكوين فحم الكوك الصلب المخصب بذرات الكربون. لذلك، في عملية الكربنة، النقطة الأساسية هي اختيار درجة الحرارة وظروف الوقت، والتي ينبغي أن تضمن الحد الأقصى لتكوين بقايا فحم الكوك من الرابط، حيث أن القوة الميكانيكية للمركب المتفحم تعتمد، من بين أمور أخرى، على كمية فحم الكوك شكلت.
كلما كانت أبعاد المنتج أكبر، كلما كانت عملية الكربنة أطول. معدل ارتفاع درجة الحرارة أثناء الكربنة من عدة درجات إلى عدة عشرات من الدرجات في الساعة، ومدة عملية الكربنة 300 ساعة أو أكثر. تنتهي عملية الكربنة عادةً في نطاق درجة حرارة يتراوح بين 1073-1773 كلفن، وهو ما يتوافق مع نطاق درجة حرارة انتقال الكربون إلى الجرافيت.
تعتمد خصائص CCCM إلى حد كبير على نوع المادة الرابطة الأولية، وهي عبارة عن راتنجات عضوية اصطناعية تنتج بقايا عالية من فحم الكوك. في أغلب الأحيان، يتم استخدام راتنجات الفينول فورمالدهايد لهذا الغرض بسبب قابليتها للتصنيع، وتوافرها المنخفض التكلفة، كما أن فحم الكوك المتكون في هذه العملية متين للغاية.
راتنجات الفينول فورمالدهايد لها عيوب معينة. نظرًا لطبيعة التكثيف المتعدد لمعالجتها وإطلاق المركبات المتطايرة، فمن الصعب الحصول على بنية كثيفة متجانسة. تكون كمية الانكماش أثناء تفحيم مواد ربط الفينول فورمالدهيد أكبر من الأنواع الأخرى من الروابط المستخدمة في إنتاج CCCM، مما يؤدي إلى حدوث إجهادات داخلية في المركب المتفحم وانخفاض في خواصه الفيزيائية والميكانيكية.
تنتج مواد ربط الفوران فحم الكوك الأكثر كثافة. انكماشها أثناء الكربنة أقل، وقوة فحم الكوك أعلى من راتنجات الفينول فورمالدهايد. ولذلك، على الرغم من دورة المعالجة الأكثر تعقيدًا، فإن المواد الرابطة المعتمدة على الفورفورال، وأسيتون فورفوريليدين، وكحول الفوريل تُستخدم أيضًا في إنتاج CCCM.
تعد ملاعب الفحم والبترول واعدة جدًا للحصول على مصفوفة كربون نظرًا لمحتواها العالي من الكربون (يصل إلى 92-95٪) وعدد فحم الكوك العالي. مزايا الملاعب مقارنة بالمجلدات الأخرى هي التوافر والتكلفة المنخفضة، واستبعاد المذيبات منها العملية التكنولوجيةالجاذبية الجيدة لفحم الكوك وكثافته العالية. وتشمل عيوب الملاعب تكوين مسامية كبيرة، وتشوه المنتج، ووجود مركبات مسرطنة في تكوينها، الأمر الذي يتطلب تدابير سلامة إضافية.
بسبب إطلاق المركبات المتطايرة أثناء التحلل الحراري للراتنج، تظهر مسامية كبيرة في البلاستيك المتفحم، مما يقلل من الخواص الفيزيائية والميكانيكية لـ CCCM. ولذلك فإن مرحلة الكربنة لألياف الكربون تكمل عملية الحصول فقط على المواد المسامية التي لا تتطلب قوة عالية، على سبيل المثال CCCM منخفضة الكثافة لأغراض العزل الحراري. عادة، للتخلص من المسامية وزيادة الكثافة، يتم تشريب المادة المتفحمة مرة أخرى بمادة رابطة وتفحمها (يمكن تكرار هذه الدورة عدة مرات). يتم إجراء التشريب المتكرر في الأوتوكلاف في وضع "الضغط الفراغي"، أي أنه يتم أولاً تسخين قطعة العمل في الفراغ، وبعد ذلك يتم توفير مادة رابطة ويتم إنشاء ضغط زائد يصل إلى 0.6-1.0 ميجا باسكال. أثناء التشريب، يتم استخدام المحاليل وذوبان المواد الرابطة، وتقل مسامية المركب مع كل دورة، لذلك من الضروري استخدام مواد رابطة ذات لزوجة منخفضة. تعتمد درجة الضغط أثناء إعادة التشريب على نوع المادة الرابطة ورقم فحم الكوك ومسامية المنتج ودرجة ملء المسام. مع زيادة الكثافة أثناء التشريب المتكرر، تزداد قوة المادة أيضًا. باستخدام هذه الطريقة، من الممكن الحصول على CCCM بكثافة تصل إلى 1800 كجم/م3 وأكثر. طريقة تفحيم ألياف الكربون بسيطة نسبيًا، ولا تتطلب معدات معقدة، وتضمن إمكانية تكرار نتائج جيدة للخصائص المادية للمنتجات الناتجة. ومع ذلك، فإن الحاجة إلى عمليات الضغط المتكررة تطيل بشكل كبير وتزيد من تكلفة الحصول على المنتجات من CCCM، وهو ما يعد عيبًا خطيرًا لهذه الطريقة.
عند استلام UKCM بواسطة طريقة ترسيب الكربون الحراري من الطور الغازيينتشر غاز الهيدروكربون (الميثان والبنزين والأسيتيلين وما إلى ذلك) أو خليط من الهيدروكربون والغاز المخفف (غاز خامل أو هيدروجين) من خلال الإطار المسامي لألياف الكربون، حيث يحدث تحلل الهيدروكربون تحت تأثير درجة الحرارة المرتفعة على سطح ساخن من الألياف. يقوم البيروكربون المترسب بإنشاء جسور متصلة بين الألياف تدريجيًا. تعتمد حركية الترسيب وبنية الكربون الانحلالي الناتج على العديد من العوامل: درجة الحرارة، ومعدل تدفق الغاز، والضغط، وحجم التفاعل، وما إلى ذلك. ويتم تحديد خصائص المركبات الناتجة أيضًا حسب نوع الألياف ومحتواها، و مخطط التعزيز.
تتم عملية الترسيب في الفراغ أو تحت الضغط في أفران الحث، وكذلك في أفران المقاومة.
تم تطوير العديد من الطرق التكنولوجية لإنتاج مصفوفة الكربون الحراري.
مع الطريقة الحراريةتقع قطعة العمل في غرفة ساخنة بشكل موحد. يتم ضمان التسخين الموحد في الفرن التعريفي بمساعدة عنصر توليد الوقود - وهو مستقبِل مصنوع من الجرافيت. يتم توفير غاز الهيدروكربون من خلال الجزء السفلي من الفرن وينتشر من خلال حجم التفاعل وقطعة العمل؛ تتم إزالة منتجات التفاعل الغازي من خلال منفذ في غطاء الفرن.
تتم العملية عادة عند درجة حرارة 1173-1423 كلفن وضغط 130-2000 كيلو باسكال. يؤدي انخفاض درجة الحرارة إلى انخفاض معدل الترسيب وإطالة مدة العملية بشكل مفرط. تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى تسريع ترسب الكربون الحراري، لكن الغاز ليس لديه الوقت للانتشار في حجم قطعة العمل وتحدث طبقات سطحية من الكربون الحراري. تستغرق العملية مئات الساعات.
عادة ما يتم استخدام الطريقة الحرارية لتصنيع الأجزاء ذات الجدران الرقيقة، لأنه في هذه الحالة يتم ملء المسام الموجودة بالقرب من سطح المنتج في الغالب.
يتم استخدامه للتشبع الحجمي للمسام وإنتاج المنتجات ذات الجدران السميكة. طريقة غير متساوية الحرارة, والذي يتمثل في إنشاء تدرج في درجة الحرارة في قطعة العمل عن طريق وضعها على شياق أو قلب ساخن أو عن طريق تسخينها مباشرة بالتيار. يتم توفير الغاز الهيدروكربوني من الجانب ذي درجة الحرارة المنخفضة. عادة ما يكون الضغط في الفرن مساوياً للضغط الجوي. ونتيجة لذلك، يحدث ترسب الكربون الحراري في المنطقة الأكثر سخونة. إن تأثير التبريد للغاز المتدفق على السطح بسرعة عالية هو الطريقة الأساسية لتحقيق التدرج في درجة الحرارة.
تؤدي زيادة الكثافة والتوصيل الحراري للمركب إلى حركة جبهة درجة حرارة الترسيب، مما يضمن في النهاية الضغط الحجمي للمادة وإنتاج منتجات ذات كثافة عالية (1700-1800 كجم/م3).
تتميز الطريقة الحرارية لإنتاج CCCM بمصفوفة البيروكربون بالمزايا التالية: استنساخ جيد للخصائص؛ بساطة التصميم الفني. كثافة عالية وقابلية جذب جيدة للمصفوفة. القدرة على معالجة العديد من المنتجات في وقت واحد.
وتشمل العيوب ما يلي: انخفاض معدل الترسيب. الترسيب السطحي للكربون الحراري. سوء ملء المسام الكبيرة.
تتميز الطريقة غير الحرارية بالمزايا التالية: معدل ترسيب مرتفع؛ إمكانية ملء المسام الكبيرة. الختم الحجمي للمنتج.
عيوبه هي كما يلي: تصميم الأجهزة المعقدة؛ تتم معالجة منتج واحد فقط؛ عدم كفاية الكثافة وقابلية الجاذبية للمصفوفة. تشكيل الشقوق الصغيرة.
3.4.4. المعالجة الحرارية ذات درجة الحرارة العالية (الجرافيت) لـ CCCM.هيكل المواد البلاستيكية والمواد المركبة المتفحمة مع مصفوفة البيروكربون بعد الضغط من الطور الغازي غير كامل. مسافة الطبقة البينية d002، التي تميز درجة ترتيب مصفوفة الكربون، كبيرة نسبيًا - أكثر من 3.44·10 4 ميكرومتر، وأحجام البلورات صغيرة نسبيًا - عادة لا تزيد عن 5·10 -3 ميكرومتر، وهو أمر نموذجي لـ ترتيب ثنائي الأبعاد للطبقات الأساسية للكربون. بالإضافة إلى ذلك، أثناء عملية الإنتاج، قد تنشأ فيها ضغوط داخلية، مما قد يؤدي إلى تشوهات وتشوهات في هيكل المنتج عند استخدام هذه المواد في درجات حرارة أعلى من درجة حرارة الكربنة أو ترسب الكربون الحراري. ولذلك، إذا كان من الضروري الحصول على مادة أكثر استقرارا حراريا، فإنها تخضع للمعالجة بدرجة حرارة عالية. يتم تحديد درجة حرارة المعالجة الحرارية النهائية حسب ظروف التشغيل، ولكنها محدودة بتسامي المادة، والذي يحدث بشكل مكثف عند درجات حرارة أعلى من 3273 كلفن. تتم المعالجة الحرارية في أفران الحث أو المقاومة في بيئة غير مؤكسدة (ردم الجرافيت، فراغ، غاز خامل). يتم تحديد التغير في خصائص المواد الكربونية الكربونية أثناء المعالجة الحرارية ذات درجات الحرارة العالية من خلال العديد من العوامل: نوع الحشو والمصفوفة، ودرجة الحرارة النهائية ومدة المعالجة الحرارية، ونوع الوسط وضغطه، وعوامل أخرى. عند درجات الحرارة المرتفعة، يتم التغلب على حواجز الطاقة في مادة الكربون، مما يمنع حركة المركبات متعددة النوى، وارتباطها وإعادة توجيهها المتبادل بدرجة أكبر من الضغط.
مدة هذه العمليات قصيرة ويتم تحديد درجة التحويل بشكل أساسي حسب درجة الحرارة. ولذلك فإن مدة عمليات المعالجة الحرارية ذات درجات الحرارة العالية تكون أقصر بكثير مما هي عليه في حالة الكربنة أو ترسيب البيروكربون، وعادة ما تصل إلى عدة ساعات. أثناء المعالجة الحرارية ذات درجة الحرارة العالية للمواد البلاستيكية المتفحمة، تحدث تشوهات لا رجعة فيها للمنتج و"شفاء" تدريجي للعيوب. بالنسبة للمواد ذات الرسوم البيانية الجيدة المستندة إلى درجات حرارة أعلى من 2473 كلفن، يتم ملاحظة النمو المكثف لبلورات الكربون المرتبة ثلاثية الأبعاد حتى الانتقال إلى البنية الجرافيتية. في الوقت نفسه، في المواد البلاستيكية المتفحمة القائمة على مواد رابطة بوليمرية سيئة الجرافيت، تستمر العيوب الهيكلية حتى 3273 كلفن وتبقى المادة في شكل هيكلي غير مرسوم بالجرافيت.
المواد المعدنية المركبة الليفية.
المواد المعدنية المركبة سهلة الانصهار.
المواد المعدنية المركبة التي تشكلت عن طريق التلبيد.
مواد معززة بالتشتت على مصفوفة معدنية.
المواد المركبة على مصفوفة معدنية.
محاضرة رقم 2
البلاستيك المقوى الرقائقي
المنسوجات- مواد مكونة من طبقات من القماش مشربة بالراتنجات الاصطناعية المتصلدة بالحرارة.
رؤوس مكررة- مواد ذات طبقات تتكون من صفائح من البولي إيثيلين والبولي بروبيلين واللدائن الحرارية الأخرى، متصلة بواسطة طبقة فرعية تعتمد على القماش، والمطاط المقاوم كيميائيًا، والمواد الليفية غير المنسوجة، وما إلى ذلك.
مشمع- البوليمر مادة لفةللأرضيات - عبارة عن CPM متعدد الطبقات أو قائم على القماش يحتوي على راتنجات الألكيد وكلوريد البوليفينيل والمطاط الصناعي والبوليمرات الأخرى.
جيتيناكس– بلاستيك مصفح يعتمد على ورق مشرب براتينج صناعي متصلد بالحرارة.
المعدن والبلاستيك- مادة هيكلية تتكون من صفائح معدنية مطلية على أحد الجانبين أو كليهما بطبقة بوليمر من البولي إيثيلين أو البلاستيك الفلوري أو كلوريد البولي فينيل.
شرائح الخشب- المواد التي يتم الحصول عليها بالضغط "الساخن" على الفراغات الخشبية (القشرة) المشربة بالراتنجات الاصطناعية المتصلدة بالحرارة.
الموضوع: "المواد المركبة على مصفوفة معدنية"
تنقسم تسميات KMM إلى ثلاث مجموعات رئيسية: 1) المواد المقواة بالتشتت والمعززة بالجزيئات، بما في ذلك السبائك الزائفة التي تنتجها تعدين المساحيق؛ 2) المواد المركبة سهلة الانصهار - السبائك ذات التبلور الاتجاهي للهياكل سهلة الانصهار. 3) المواد الليفية المقواة بألياف منفصلة أو مستمرة.
مواد معززة بالتشتت
إذا تم توزيع جزيئات مرحلة التقوية بحجم 1...100 نانومتر في المصفوفة المعدنية لـ CMM، التي تشغل 1...15% من حجم المركب، فإن المصفوفة تمتص الجزء الأكبر من الحمل الميكانيكي المطبق إلى CMM، ويتم تقليل دور الجزيئات إلى خلق مقاومة فعالة لحركة الاضطرابات في مادة المصفوفة. تتميز هذه CMMs بزيادة ثبات درجة الحرارة، ونتيجة لذلك لا تنخفض قوتها عمليا حتى درجات الحرارة (0.7...0.8) تر حيث ت pl – درجة حرارة انصهار المصفوفة. تنقسم المواد من هذا النوع إلى مجموعتين: مواد ملبدة ومواد زائفة.
تحتوي المواد المتكونة عن طريق التلبيد على جزيئات متناثرة بدقة من الأكاسيد والكربيدات والنيتريدات ومركبات حرارية أخرى، بالإضافة إلى مركبات بين المعادن، والتي أثناء تكوين CMMs، لا تذوب أو تذوب في المصفوفة. تنتمي تقنية تشكيل المنتجات من هذه CMM إلى مجال تعدين المساحيق وتتضمن عمليات الحصول على مخاليط المسحوق وضغطها في قالب وتلبيد المنتجات شبه المصنعة الناتجة وتشويه قطع العمل ومعالجتها بالحرارة.
مواد مصفوفة الألومنيوم. يتم تعزيز CMs التي تحتوي على مصفوفة من الألومنيوم والتي وجدت تطبيقًا بشكل أساسي بأسلاك الفولاذ والبورون وألياف الكربون، ويتم استخدام كل من الألومنيوم التقني (على سبيل المثال، AD1) والسبائك (B95، D20، وما إلى ذلك) كمصفوفة.
الفولاذ المتصلب بالتشتتتحتوي على أكاسيد كمكونات تقوية: Al 2 O 3، TiO 2، ZrO 2، إلخ.
KMM على مصفوفة الكوبالتتحتوي على أكسيد الثوريوم كمادة مضافة مشتتة مصفوفة المغنيسيوم- أكاسيد خاصة.
المواد القائمة على النحاس، المعززة بالأكاسيد والكربيدات والنيتريدات، تكتسب مقاومة للحرارة، والتي يتم دمجها مع الموصلية الكهربائية العالية لمصفوفة النحاس. تُستخدم أجهزة CMM هذه في تصنيع الاتصالات الكهربائية والأقطاب الكهربائية للحام الأسطواني وأدوات التشغيل بالشرارة وما إلى ذلك.
النيكل على أساس KMMالمملوءة بأكسيد الثوريوم وأكسيد الهافنيوم، مصممة للعمل في درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية وتستخدم في بناء الطائرات وهندسة الطاقة وتكنولوجيا الفضاء.
السبائك الزائفة عبارة عن CMM معززة بالتشتت، وتتكون من أطوار معدنية وشبيهة بالمعادن لا تشكل محاليل ولا تدخل في مركبات كيميائية. تنتمي تقنية تشكيل السبائك الزائفة إلى مجال تعدين المساحيق. العمليات النهائية لإنتاج السبائك الزائفة هي التشريب أو تلبيد القوالب في الطور السائل.
يتكون التشريب من ملء مسام القالب أو قطعة العمل الملبدة من مكون مقاوم للحرارة بذوبان مكون منخفض الانصهار من سبيكة زائفة. يتم التشريب عن طريق غمر قطعة العمل المسامية في المصهور.
يشمل نطاق السبائك الزائفة بشكل أساسي المواد المخصصة للأغراض التريبولوجية.
تجمع السبائك الزائفة القائمة على التنغستن W – Cu و W – Ag بين الصلابة العالية والقوة والتوصيل الكهربائي. يتم استخدامها لإجراء الاتصالات الكهربائية. السبائك الزائفة المعتمدة على الموليبدينوم (Mo – Cu) والنيكل (Ni – Ag)، وما إلى ذلك، لها نفس الغرض.
CMMs سهل الانصهار عبارة عن سبائك ذات تركيبة سهلة الانصهار أو تركيبة مماثلة، حيث تكون مرحلة التسليح موجهة إلى بلورات ليفية أو صفائحية تتشكل أثناء التبلور الاتجاهي للمصفوفة المعدنية.
تتمثل تقنية تشكيل CMM سهلة الانصهار في سحب العينة من الذوبان بسرعة ثابتة، وإخضاعها للتبريد المستمر. يعتمد شكل واجهة التبلور على سرعة السحب وظروف التبادل الحراري، التي تنظمها العناصر الهيكلية للمتبلور.
المواد الليفية أيضا. تشتمل تقنية تشكيل CMMs الليفية على طرق الضغط أو الدرفلة أو الرسم المشترك أو البثق أو اللحام أو الرش أو الترسيب، بالإضافة إلى التشريب.
يؤدي الضغط "الساخن" (الضغط بالتسخين) إلى إنتاج CMM، وتكون مادة المصفوفة الأولية منها عبارة عن مساحيق ورقائق وأشرطة وصفائح وغيرها من المنتجات المعدنية شبه المصنعة. يتم وضعها وعناصر التسليح (الأسلاك أو السيراميك أو الكربون أو الألياف الأخرى) بترتيب معين على لوح ضغط أو في قالب ثم يتم ضغطها عند تسخينها في الهواء أو في جو خامل.
تتم معالجة نفس المكونات عن طريق التدحرج أو الضغط.
طريقة الرسم المشترك هي كما يلي. يتم حفر ثقوب في قطعة العمل المعدنية المصفوفة التي يتم فيها إدخال قضبان أو أسلاك التسليح. يتم تسخين قطعة العمل وضغطها وسحبها، والتي يتم الانتهاء منها عن طريق التلدين.
تنتج طريقة البثق منتجات على شكل قضبان أو أنابيب معززة بألياف مستمرة ومنفصلة. المادة الأولية للمصفوفة هي المساحيق المعدنية،
يتضمن نطاق CMMs الليفي العديد من المواد على المصفوفات المصنوعة من الألومنيوم والمغنيسيوم والتيتانيوم والنحاس والنيكل والكوبالت، إلخ.
يتضمن هذا النوع من المواد المركبة مواد مثل SAP (مسحوق الألومنيوم الملبد)، وهي عبارة عن ألومنيوم مقوى بجزيئات متفرقة من أكسيد الألومنيوم. يتم الحصول على مسحوق الألومنيوم عن طريق رش المعدن المنصهر، ثم طحنه في مطاحن كروية إلى حجم حوالي 1 ميكرون في وجود الأكسجين. ومع زيادة وقت الطحن، يصبح المسحوق أنعم ويزداد محتواه من أكسيد الألومنيوم. تشتمل التكنولوجيا الإضافية لإنتاج المنتجات والمنتجات شبه المصنعة من SAP على الضغط البارد، أو التلبيد المسبق، أو الضغط الساخن، أو لف أو بثق كتلة الألومنيوم الملبدة في شكل منتجات نهائية يمكن إخضاعها لمعالجة حرارية إضافية.
تُستخدم السبائك من نوع SAP في تكنولوجيا الطيران لتصنيع الأجزاء ذات القوة النوعية العالية والمقاومة للتآكل، والتي تعمل في درجات حرارة تصل إلى 300-500 درجة مئوية. يتم استخدامها لصنع قضبان المكبس وشفرات الضاغط وأغلفة عناصر الوقود وأنابيب المبادل الحراري.
إن تقوية الألومنيوم وسبائكه بالأسلاك الفولاذية يزيد من قوتها، ويزيد من معامل المرونة، ومقاومة التعب، ويوسع نطاق درجة الحرارة لعمر خدمة المادة.
يتم إجراء التعزيز بالألياف القصيرة باستخدام طرق تعدين المساحيق، والتي تتكون من الضغط يليه البثق المائي أو لف الفراغات. عند تعزيز تركيبات الساندويتش التي تتكون من طبقات متناوبة من رقائق الألومنيوم والألياف مع ألياف مستمرة، يتم استخدام الدرفلة والضغط الساخن واللحام الانفجاري واللحام الانتشاري.
من المواد الواعدة للغاية تركيبة "سلك الألومنيوم - البريليوم" ، والتي تحقق الخواص الفيزيائية والميكانيكية العالية لتقوية البريليوم ، وقبل كل شيء ، كثافتها المنخفضة وصلابتها النوعية العالية. يتم الحصول على التركيبات التي تحتوي على سلك البريليوم عن طريق لحام الانتشار لحزم الطبقات المتناوبة من سلك البريليوم وصفائح المصفوفة. وتستخدم سبائك الألومنيوم المقواة بأسلاك الفولاذ والبريليوم في صناعة أجزاء جسم الصاروخ وخزانات الوقود.
في تركيبة ألياف الألومنيوم والكربون، فإن الجمع بين التعزيز المنخفض الكثافة والمصفوفة يجعل من الممكن إنشاء مواد مركبة ذات قوة وصلابة عالية. عيب ألياف كربونيههي هشاشتها وتفاعلها العالي. يتم الحصول على تركيبة الألومنيوم والكربون عن طريق تشريب ألياف الكربون باستخدام المعدن السائل أو طرق تعدين المساحيق. من الناحية التكنولوجية، أسهل طريقة للقيام بذلك هي سحب حزم من ألياف الكربون من خلال الألومنيوم المصهور.
يستخدم مركب الألومنيوم والكربون في بناء خزانات الوقود للطائرات المقاتلة الحديثة. نظرًا للقوة النوعية العالية والصلابة للمادة، يتم تقليل وزن خزانات الوقود بمقدار
ثلاثون%. تُستخدم هذه المادة أيضًا في تصنيع شفرات التوربينات لمحركات التوربينات الغازية للطائرات.
الخصائص العامة والتصنيف
لقد وصلت المواد المعدنية وغير المعدنية المستخدمة تقليديًا إلى حد كبير إلى حدود قوتها الهيكلية. وفي الوقت نفسه، يتطلب تطور التكنولوجيا الحديثة إنشاء مواد تعمل بشكل موثوق في مزيج معقد من مجالات القوة ودرجة الحرارة عند تعرضها للشمس. البيئات العدوانيةوالإشعاع والفراغ العميق والضغط العالي. في كثير من الأحيان، يمكن أن تكون متطلبات المواد متناقضة. يمكن حل هذه المشكلة باستخدام المواد المركبة.
مادة مركبة(CM) أو المركب هو نظام ثلاثي الأبعاد غير متجانس يتكون من مكونات غير قابلة للذوبان بشكل متبادل وتختلف بشكل كبير في الخصائص، والتي يسمح هيكلها للمرء بالاستفادة من مزايا كل منها.
لقد استعار الإنسان مبدأ بناء CM من الطبيعة. المواد المركبة النموذجية هي جذوع الأشجار وسيقان النباتات وعظام الإنسان والحيوان.
تتيح لك CMs الحصول على مجموعة معينة من الخصائص غير المتجانسة: قوة وصلابة عالية النوعية، ومقاومة الحرارة، ومقاومة التآكل، وخصائص الحماية من الحرارة، وما إلى ذلك. ولا يمكن الحصول على نطاق خصائص CMs باستخدام المواد التقليدية. يتيح استخدامها إمكانية إنشاء تصميمات جديدة بشكل أساسي لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقًا.
بفضل CM، أصبح من الممكن تحقيق قفزة نوعية جديدة في زيادة قوة المحرك، وتقليل وزن الآلات والهياكل، وزيادة كفاءة وزن المركبات والمركبات الفضائية.
الخصائص المهمة للمواد التي تعمل في ظل هذه الظروف هي قوة محددة σ في /ρ وصلابة محددة ه/ ρ، حيث σ in هي المقاومة المؤقتة، ه- معامل المرونة الطبيعية، ρ - كثافة المادة.
تتمتع السبائك عالية القوة، كقاعدة عامة، بمرونة منخفضة، وحساسية عالية لمركزات الإجهاد، ومقاومة منخفضة نسبيًا لتطور شقوق التعب. على الرغم من أن المواد المركبة قد تكون أيضًا ذات ليونة منخفضة، إلا أنها أقل حساسية بكثير لمثيرات الإجهاد وتكون أكثر مقاومة لفشل الكلال. ويفسر ذلك آليات مختلفة لتكوين الشقوق في الفولاذ والسبائك عالية القوة. في الفولاذ عالي القوة، يتطور الشق، بعد أن وصل إلى حجم حرج، بمعدل تدريجي.
هناك آلية مختلفة تعمل في المواد المركبة. يواجه الشق المتحرك في المصفوفة عائقًا في واجهة ألياف المصفوفة. تمنع الألياف تطور الشقوق، ويؤدي وجودها في المصفوفة البلاستيكية إلى زيادة صلابة الكسر.
وبالتالي، يجمع النظام المركب بين خاصيتين متعارضتين ضروريتين للمواد الإنشائية - القوة العالية بسبب الألياف عالية القوة وصلابة الكسر الكافية بسبب المصفوفة البلاستيكية وآلية تبديد طاقة الكسر.
تتكون CM من مادة أساسية مصفوفة بلاستيكية نسبيًا ومكونات أكثر صلابة وأكثر متانة، وهي عبارة عن مواد مالئة. تعتمد خصائص CM على خصائص القاعدة والحشو وقوة الرابطة بينهما.
تربط المصفوفة التركيبة في كتلة متراصة، وتعطيها الشكل وتعمل على نقل الأحمال الخارجية إلى تعزيز الحشو. اعتمادًا على المادة الأساسية، تتميز CM بمصفوفة معدنية، أو مواد مركبة معدنية (MCM)، مع مواد مركبة من البوليمر - البوليمر (PCM) ومع مواد مركبة من السيراميك - السيراميك (CCM).
يتم لعب الدور الرائد في تقوية CMs بواسطة مواد الحشو، والتي تسمى غالبًا مقويات. لديهم قوة عالية وصلابة ومعامل مرن. بناءً على نوع مواد الحشو المعززة، يتم تقسيم CM إلى تعزيز التشتت,ليفيو الطبقات(الشكل 28.2).
أرز. 28.2.مخططات هيكل المواد المركبة: أ) تعزيز التشتت. ب) ليفي. الخامس) الطبقات
يتم إدخال جزيئات حرارية صغيرة وموزعة بالتساوي من الكربيدات والأكاسيد والنيتريدات وما إلى ذلك بشكل مصطنع في CMs المعززة بالتشتت، والتي لا تتفاعل مع المصفوفة ولا تذوب فيها حتى درجة حرارة انصهار المراحل. كلما كانت جزيئات الحشو أصغر وكانت المسافة بينها، كلما كان CM أقوى. على عكس الألياف الليفية، في CMs المعززة بالتشتت، يكون العنصر الحامل الرئيسي هو المصفوفة. تعمل مجموعة جزيئات الحشو المشتتة على تقوية المادة من خلال مقاومة حركة الانخلاعات تحت التحميل، مما يجعل تشوه البلاستيك أكثر صعوبة. يتم إنشاء مقاومة فعالة لحركة الاضطرابات حتى درجة حرارة انصهار المصفوفة، والتي تتميز بها CM المعززة بالتشتت بمقاومة عالية للحرارة ومقاومة الزحف.
يمكن أن يكون التعزيز في المواد المركبة الليفية عبارة عن ألياف ذات أشكال مختلفة: خيوط، وأشرطة، وشبكات من نسج مختلفة. يمكن إجراء تقوية CM الليفي وفقًا لمخطط أحادي المحور وثنائي المحور وثلاثي المحاور (الشكل 28.3 ، أ).
يتم تحديد قوة وصلابة هذه المواد من خلال خصائص ألياف التسليح التي تتحمل الحمل الرئيسي. يعطي التعزيز زيادة أكبر في القوة، ولكن تعزيز التشتت أسهل من الناحية التكنولوجية في التنفيذ.
المواد المركبة ذات الطبقات (الشكل 28.3، ب) تتكون من طبقات متناوبة من مادة الحشو والمصفوفة (نوع "الساندويتش"). يمكن أن يكون لطبقات الحشو في هذه CM اتجاهات مختلفة. من الممكن استخدام طبقات الحشو المصنوعة من مواد مختلفة ذات خصائص ميكانيكية مختلفة بالتناوب. بالنسبة للتركيبات ذات الطبقات، عادة ما تستخدم المواد غير المعدنية.
أرز. 28.3.مخططات تقوية الألياف ( أ) والطبقات ( ب) المواد المركبة
المواد المركبة المشتتة
أثناء تقوية التشتت، تمنع الجزيئات عمليات الانزلاق في المصفوفة. تعتمد فعالية التصلب، مع مراعاة الحد الأدنى من التفاعل مع المصفوفة، على نوع الجزيئات، وتركيز حجمها، وكذلك على توحيد التوزيع في المصفوفة. يتم استخدام جزيئات مشتتة من المراحل الحرارية مثل Al 2 O 3، SiO 2، BN، SiC، والتي لها كثافة منخفضة ومعامل مرونة عالية. عادةً ما يتم إنتاج CMs بواسطة تعدين المساحيق، ومن المزايا الهامة لها تباين الخواص في اتجاهات مختلفة.
في الصناعة، عادةً ما يتم استخدام CMs المعززة بالتشتت في قواعد الألومنيوم والنيكل بشكل أقل شيوعًا. الممثلون النموذجيون لهذا النوع من المواد المركبة هم مواد مثل SAP (مسحوق الألومنيوم الملبد)، والتي تتكون من مصفوفة ألومنيوم معززة بجزيئات متفرقة من أكسيد الألومنيوم. يتم الحصول على مسحوق الألومنيوم عن طريق رش المعدن المنصهر، ثم طحنه في مطاحن كروية إلى حجم حوالي 1 ميكرون في وجود الأكسجين. ومع زيادة وقت الطحن، يصبح المسحوق أنعم ويزداد محتواه من أكسيد الألومنيوم. تشتمل التكنولوجيا الإضافية لإنتاج المنتجات والمنتجات شبه المصنعة من SAP على الضغط البارد، أو التلبيد المسبق، أو الضغط الساخن، أو لف أو بثق كتلة الألومنيوم الملبدة في شكل منتجات نهائية يمكن إخضاعها لمعالجة حرارية إضافية.
تتشوه السبائك من النوع SAP بشكل مرضي في الحالة الساخنة، والسبائك التي تحتوي على 6-9٪ Al 2 O 3 - حتى في درجة حرارة الغرفة. ومن بينها يمكن استخدام الرسم البارد لإنتاج رقائق يصل سمكها إلى 0.03 مم. هذه المواد سهلة القطع ولها مقاومة عالية للتآكل.
تحتوي درجات SAP المستخدمة في روسيا على 6-23% Al 2 O 3 . هناك SAP-1 بمحتوى 6-9، SAP-2 بمحتوى 9-13، SAP-3 بمحتوى 13-18% Al 2 O 3. مع زيادة تركيز حجم أكسيد الألومنيوم، تزداد قوة المواد المركبة. في درجة حرارة الغرفة، تكون خصائص قوة SAP-1 كما يلي: σ = 280 ميجا باسكال، σ 0.2 = 220 ميجا باسكال؛ SAP-3 هي كما يلي: σ = 420 ميجا باسكال، σ 0.2 = 340 ميجا باسكال.
تتمتع المواد مثل SAP بمقاومة عالية للحرارة وتتفوق على جميع سبائك الألومنيوم المطاوع. حتى عند درجة حرارة 500 درجة مئوية، فإن σ لا يقل عن 60-110 ميجا باسكال. يتم تفسير مقاومة الحرارة من خلال التأثير المثبط للجزيئات المشتتة على عملية إعادة التبلور. خصائص القوة للسبائك من نوع SAP مستقرة جدًا. لم يكن لاختبارات القوة طويلة المدى للسبائك من النوع SAP-3 لمدة عامين أي تأثير تقريبًا على مستوى الخصائص سواء في درجة حرارة الغرفة أو عند تسخينها إلى 500 درجة مئوية. عند 400 درجة مئوية، تكون قوة SAP أعلى بخمس مرات من قوة سبائك الألومنيوم القديمة.
تُستخدم السبائك من نوع SAP في تكنولوجيا الطيران لتصنيع الأجزاء ذات القوة النوعية العالية والمقاومة للتآكل، والتي تعمل في درجات حرارة تصل إلى 300-500 درجة مئوية. تصنع منها قضبان المكبس وشفرات الضاغط وأغلفة عناصر الوقود وأنابيب المبادل الحراري.
يتم إنتاج CM باستخدام تعدين المساحيق باستخدام جزيئات مشتتة من كربيد السيليكون SiC. يتمتع المركب الكيميائي SiC بعدد من الخصائص الإيجابية: نقطة انصهار عالية (أكثر من 2650 درجة مئوية)، قوة عالية (حوالي 2000 ميجا باسكال) ومعامل مرن (> 450 جيجا باسكال)، كثافة منخفضة (3200 كجم / م 3) ومقاومة جيدة للتآكل . لقد أتقنت الصناعة إنتاج مساحيق السيليكون الكاشطة.
يتم خلط سبائك الألومنيوم ومساحيق SiC، وضغطها مسبقًا تحت ضغط منخفض، ثم ضغطها على الساخن في حاويات فولاذية في فراغ عند درجة حرارة انصهار سبيكة المصفوفة، أي في الحالة الصلبة والسائلة. تتعرض قطعة العمل الناتجة للتشوه الثانوي من أجل الحصول على منتجات نصف نهائية بالشكل والحجم المطلوبين: صفائح، وقضبان، وملامح، وما إلى ذلك.