Verbundwerkstoffe mit einer Metallmatrix. Um bei höheren Temperaturen zu arbeiten, werden Metallmatrizen verwendet.
Metall-CMs haben gegenüber Polymer-CMs eine Reihe von Vorteilen. Neben einer höheren Betriebstemperatur zeichnen sie sich durch eine bessere Isotropie und eine höhere Stabilität der Eigenschaften im Betrieb sowie eine höhere Erosionsbeständigkeit aus.
Die Plastizität von Metallmatrizen verleiht der Struktur die erforderliche Viskosität. Dies trägt zum schnellen Ausgleich lokaler mechanischer Belastungen bei.
Ein wichtiger Vorteil von Metall-CMs ist die höhere Herstellbarkeit des Herstellungsprozesses, des Formens, der Wärmebehandlung sowie der Bildung von Verbindungen und Beschichtungen.
Der Vorteil metallbasierter Verbundwerkstoffe sind höhere Kennwerte in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Matrix. Dies sind vor allem der temporäre Widerstand und der Zugelastizitätsmodul in Richtung senkrecht zur Achse der Verstärkungsfasern, die Druck- und Biegefestigkeit, die Duktilität und die Bruchzähigkeit. Darüber hinaus behalten Metallmatrix-Verbundwerkstoffe ihre Eigenschaften Festigkeitseigenschaften gegenüber höheren Temperaturen als Materialien auf nichtmetallischer Basis. Sie sind feuchtigkeitsbeständiger, nicht brennbar und verfügen über eine elektrische Leitfähigkeit. Die hohe elektrische Leitfähigkeit metallischer CMs schützt sie gut vor elektromagnetischer Strahlung und Blitzschlägen und verringert die Gefahr statischer Elektrizität. Die hohe Wärmeleitfähigkeit metallischer CMs schützt vor lokaler Überhitzung, was besonders wichtig für Produkte wie ist Raketenspitzen und Flügelvorderkanten.
Die vielversprechendsten Materialien für Matrizen aus Metallverbundwerkstoffen sind Metalle mit geringer Dichte (A1, Mg, Ti) und darauf basierende Legierungen sowie Nickel, das derzeit häufig als Hauptbestandteil hitzebeständiger Legierungen verwendet wird.
Verbundwerkstoffe werden auf unterschiedliche Weise hergestellt. Dazu gehören das Imprägnieren eines Faserbündels mit flüssigen Schmelzen aus Aluminium und Magnesium, Plasmaspritzen und der Einsatz von Heißpressverfahren, manchmal gefolgt von Hydroextrusion oder Walzen von Rohlingen. Bei der Verstärkung von Sandwich-Zusammensetzungen, die aus abwechselnden Schichten von Aluminiumfolie und Fasern mit Endlosfasern bestehen, werden Walzen, Heißpressen, Explosionsschweißen und Diffusionsschweißen verwendet. Aus der flüssigen Metallphase werden mit hochfesten Fasern verstärkte Stäbe und Rohre gegossen. Das Faserbündel wird kontinuierlich durch ein Schmelzbad geführt und unter Druck mit flüssigem Aluminium oder Magnesium imprägniert. Beim Verlassen des Imprägnierbades werden die Fasern vereint und durch eine Spinndüse zu einem Stab oder Rohr geführt. Dieses Verfahren gewährleistet eine maximale Füllung des Verbundwerkstoffs mit Fasern (bis zu 85 %), deren gleichmäßige Verteilung im Querschnitt und die Kontinuität des Prozesses.
Aluminiummatrixmaterialien. Aluminiummatrixmaterialien verstärken hauptsächlich Stahldraht(CAS), Borfaser (BKA) und Kohlefaser (VKU). Als Matrix werden sowohl technisches Aluminium (z. B. AD1) als auch Legierungen (AMg6, V95, D20 usw.) verwendet.
Die Verwendung einer Legierung (z. B. B95) als Matrix, die durch Wärmebehandlung (Härten und Altern) verstärkt wird, führt zu einem zusätzlichen Verstärkungseffekt der Zusammensetzung. In Richtung der Faserachse ist sie jedoch gering, während sie in Querrichtung, wo die Eigenschaften hauptsächlich durch die Eigenschaften der Matrix bestimmt werden, 50 % erreicht.
Das günstigste, effektivste und zugänglichste Verstärkungsmaterial ist hochfester Stahldraht. So erhöht die Verstärkung von technischem Aluminium mit VNS9-Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,15 mm (σ in = 3600 MPa) seine Festigkeit um das 10- bis 12-fache bei einem Faservolumengehalt von 25 % und um das 14- bis 15-fache bei einer Erhöhung des Gehalts an 40 %, danach erreicht der vorübergehende Widerstand 1000-1200 bzw. 1450 MPa. Wenn Sie zur Verstärkung Draht mit kleinerem Durchmesser, also höherer Festigkeit (σ in = 4200 MPa), verwenden, erhöht sich der temporäre Widerstand des Verbundmaterials auf 1750 MPa. Somit übertrifft mit Stahldraht verstärktes Aluminium (25–40 %) in seinen Grundeigenschaften selbst hochfeste Aluminiumlegierungen deutlich und erreicht das Niveau der entsprechenden Eigenschaften von Titanlegierungen. In diesem Fall liegt die Dichte der Zusammensetzungen im Bereich von 3900–4800 kg/m 3 .
Die Verstärkung von Aluminium und seinen Legierungen mit teureren Fasern B, C, A1 2 O e erhöht die Kosten von Verbundwerkstoffen, gleichzeitig werden aber einige Eigenschaften effektiver verbessert: Beispielsweise erhöht sich bei der Verstärkung mit Borfasern der Elastizitätsmodul 3 -4-fach tragen Kohlefasern zur Reduzierung der Dichte bei. Bor erweicht mit zunehmender Temperatur kaum, sodass mit Borfasern verstärkte Zusammensetzungen bis zu 400–500 ° C eine hohe Festigkeit behalten. Ein Material, das 50 Vol.-% kontinuierliche hochfeste und hochmodulige Borfasern (VKA-1) enthält, hat sich als industriell erwiesen Anwendung. In Bezug auf Elastizitätsmodul und temporäre Beständigkeit im Temperaturbereich von 20–500 °C übertrifft es alle Standard-Aluminiumlegierungen, einschließlich hochfester (B95) und speziell für den Betrieb bei hohen Temperaturen entwickelter Legierungen (AK4-1). was in Abb. deutlich dargestellt ist. 13.35. Das hohe Dämpfungsvermögen des Materials gewährleistet die Vibrationsfestigkeit der daraus hergestellten Konstruktionen. Die Dichte der Legierung beträgt 2650 kg/m 3 und die spezifische Festigkeit beträgt 45 km. Dieser liegt deutlich über dem von hochfesten Stählen und Titanlegierungen.
Berechnungen haben gezeigt, dass der Ersatz der B95-Legierung durch eine Titanlegierung bei der Herstellung eines Flugzeugflügelholms mit Verstärkungselementen aus VKA-1 dessen Steifigkeit um 45 % erhöht und eine Gewichtseinsparung von etwa 42 % ermöglicht.
Kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) auf Aluminiumbasis sind günstiger und leichter als Borfaserverbundwerkstoffe. Und obwohl sie letzteren in ihrer Stärke unterlegen sind, haben sie eine ähnliche spezifische Stärke (42 km). Allerdings ist die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit einem Kohlenstoffverfestiger mit großen technologischen Schwierigkeiten verbunden, da beim Erhitzen Kohlenstoff mit Metallmatrizen interagiert und die Festigkeit des Materials abnimmt. Um diesen Nachteil zu beseitigen, werden spezielle Kohlefaserbeschichtungen verwendet.
Materialien mit Magnesiummatrix. Werkstoffe mit Magnesiummatrix (MCM) zeichnen sich durch eine geringere Dichte (1800-2200 kg/m3) als Aluminium aus, bei annähernd gleich hoher Festigkeit von 1000-1200 MPa und damit höherer spezifischer Festigkeit. Verformbare Magnesiumlegierungen (MA2 und andere), verstärkt mit Borfasern (50 Vol.-%), haben eine spezifische Festigkeit > 50 km. Die gute Verträglichkeit von Magnesium und seinen Legierungen mit Borfasern ermöglicht einerseits die Herstellung von Teilen im Imprägnierverfahren nahezu ohne mechanische Nachbearbeitung und gewährleistet andererseits eine lange Lebensdauer der Teile bei erhöhter Temperatur Temperaturen. Die spezifische Festigkeit dieser Materialien wird durch die Verwendung leichter Lithiumlegierungen als Matrix sowie durch die Verwendung leichterer Kohlenstofffasern erhöht. Aber wie bereits erwähnt, erschwert die Einführung von Kohlenstofffasern die Technologie bereits Low-Tech-Legierungen. Magnesium und seine Legierungen weisen bekanntermaßen eine geringe technologische Plastizität auf und neigen zur Bildung eines losen Oxidfilms.
Verbundwerkstoffe auf Titanbasis. Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen auf Titanbasis ergeben sich Schwierigkeiten aufgrund der Notwendigkeit, auf hohe Temperaturen zu erhitzen. Bei hohen Temperaturen wird die Titanmatrix sehr aktiv; Es erhält die Fähigkeit, Gase zu absorbieren und mit vielen Verstärkungsmitteln zu interagieren: Bor, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid usw. Dadurch bilden sich Reaktionszonen und die Festigkeit sowohl der Fasern selbst als auch der Verbundwerkstoffe insgesamt nimmt ab. Darüber hinaus führen hohe Temperaturen zur Rekristallisation und Erweichung vieler Verstärkungsmaterialien, was die Verstärkungswirkung der Verstärkung verringert. Zur Verstärkung von Materialien mit Titanmatrix werden daher Drähte aus Beryllium und Keramikfasern aus feuerfesten Oxiden (Al 2 0 3), Karbiden (SiC) sowie feuerfesten Metallen mit hohem Elastizitätsmodul und hoher Rekristallisationstemperatur (Mo, W) verwendet ) werden verwendet. Darüber hinaus besteht der Zweck der Verstärkung hauptsächlich nicht darin, die bereits hohe spezifische Festigkeit zu erhöhen, sondern den Elastizitätsmodul zu erhöhen und die Betriebstemperaturen zu erhöhen. Mechanische Eigenschaften der Titanlegierung VT6 (6 % A1, 4 % V, der Rest A1), verstärkt mit Mo-, Be- und SiC-Fasern, sind in der Tabelle dargestellt. 13.9. Wie aus ersichtlich ist. Tabelle: Die spezifische Steifigkeit erhöht sich am effektivsten, wenn sie mit Siliziumkarbidfasern verstärkt wird.
Die Verstärkung der VT6-Legierung mit Molybdändraht trägt dazu bei, hohe Werte des Elastizitätsmoduls bis zu 800 °C aufrechtzuerhalten. Sein Wert bei dieser Temperatur entspricht 124 GPa, d. h. er nimmt um 33 % ab, während die vorübergehende Zugfestigkeit auf 420 MPa, d. h. mehr als 3 mal.
Verbundwerkstoffe auf Nickelbasis. Hitzebeständige CMs werden auf Basis von Nickel- und Kobaltlegierungen hergestellt, verstärkt mit Keramik (SiC, Si 3 Ni 4, Al 2 O 3) und Kohlenstofffasern. Die Hauptaufgabe bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen auf Nickelbasis (NBC) besteht darin, die Betriebstemperaturen auf über 1000 °C zu erhöhen. Und eine der besten Metallverstärkungen, die bei so hohen Temperaturen für gute Festigkeit sorgen kann, ist Wolframdraht. Das Einbringen von Wolframdraht in einer Menge von 40 bis 70 Vol.-% in eine Nickel-Chrom-Legierung sorgt für Festigkeit bei 1100 °C für 100 Stunden bzw. 130 bzw. 250 MPa, während die beste unverstärkte Nickellegierung für ähnliche Arbeiten ausgelegt ist Bedingungen, hat eine Festigkeit von 75 MPa. Die Verwendung von Drähten aus Wolframlegierungen mit Rhenium oder Hafnium zur Verstärkung erhöht diesen Wert um 30-50 %.
Verbundwerkstoffe werden in vielen Branchen eingesetzt, vor allem in der Luft-, Raketen- und Raumfahrttechnik, wo es besonders wichtig ist, das Gewicht von Strukturen zu reduzieren und gleichzeitig die Festigkeit und Steifigkeit zu erhöhen. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften werden sie beispielsweise bei der Herstellung von Höhenleitwerken und Klappen von Flugzeugen, Rotorblättern und Containern von Hubschraubern, Körpern und Brennkammern von Strahltriebwerken usw. verwendet. Die Verwendung von Verbundwerkstoffen in Flugzeugstrukturen hat ihr Gewicht um 30–40 % reduziert und die Nutzlast erhöht, ohne Geschwindigkeit und Reichweite zu verringern.
Derzeit werden Verbundwerkstoffe im Kraftwerksturbinenbau (Turbinenarbeits- und Düsenschaufeln), in der Automobilindustrie (Auto- und Kühlschrankkarosserien, Motorteile), im Maschinenbau (Maschinenkarosserien und -teile), in der chemischen Industrie (Autoklaven, Tanks, Behälter) eingesetzt. Schiffbau (Bootsrümpfe, Boote, Propeller) usw.
Die besonderen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen ermöglichen den Einsatz als elektrische Isoliermaterialien (organische Fasern), radiotransparente Verkleidungen (Glasfaser), Gleitlager (Kohlenstofffasern) und andere Teile.
Verbundwerkstoffe mit Keramikmatrix. Für höchste Betriebstemperaturen wird Keramik als Matrixmaterial eingesetzt. Als keramische Matrizen werden Silikat- (SiO 2), Alumosilikat- (Al 2 O 3 - SiO 2), Alumoborosilikat- (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2) Materialien, feuerfeste Aluminiumoxide (Al 2 O 3) und Zirkonium verwendet (ZrO 2), Beryllium (BeO), Siliziumnitrid (Si 3 N 4), Titanboride (TiB 2) und Zirkonium (ZrB 2), Siliziumcarbide (SiC) und Titan (TiC). Verbundwerkstoffe mit einer Keramikmatrix weisen hohe Schmelzpunkte, Beständigkeit gegen Oxidation, Thermoschock und Vibration sowie Druckfestigkeit auf. Keramische CMs auf Basis von Karbiden und Oxiden mit Metallpulverzusätzen (< 50об. %) называются Cermets . Zur Verstärkung keramischer CMs werden neben Pulvern auch Metalldrähte aus Wolfram, Molybdän, Niob, hitzebeständigem Stahl sowie nichtmetallische Fasern (Keramik und Kohlenstoff) verwendet. Durch die Verwendung von Metalldraht entsteht ein Kunststoffrahmen, der das CM vor Zerstörung schützt, wenn die fragile Keramikmatrix reißt. Der Nachteil metallfaserverstärkter keramischer CMs ist ihre geringe Hitzebeständigkeit. CMs mit einer Matrix aus feuerfesten Oxiden (einsetzbar bis 1000 °C), Boriden und Nitriden (bis 2000 °C) und Karbiden (über 2000 °C) weisen eine hohe Hitzebeständigkeit auf. Durch die Verstärkung von keramischen CMs mit Siliziumkarbidfasern wird eine hohe Bindungsfestigkeit zwischen ihnen und der Matrix erreicht, verbunden mit einer Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, was den Einsatz für die Herstellung stark belasteter Teile (Hochtemperatur) ermöglicht Lager, Dichtungen, Arbeitsschaufeln von Gasturbinentriebwerken usw.). Der Hauptnachteil von Keramik – die mangelnde Duktilität – wird teilweise durch Verstärkungsfasern ausgeglichen, die die Ausbreitung von Rissen in Keramik hemmen.
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff . Durch die Verwendung von amorphem Kohlenstoff als Matrixmaterial und kristallinen Kohlenstofffasern (Graphit) als Verstärkungsmaterial konnte ein Verbundwerkstoff geschaffen werden, der einer Erwärmung bis zu 2500 °C standhält. Ein solcher Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundstoff ist vielversprechend für die Raumfahrt und die transatmosphärische Luftfahrt. Der Nachteil der Kohlenstoffmatrix ist eine mögliche Oxidation und Ablation. Um diese Phänomene zu verhindern, wird der Verbundwerkstoff mit einer dünnen Schicht Siliziumkarbid beschichtet.
Die Kohlenstoffmatrix, die in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften Kohlenstofffasern ähnelt, gewährleistet die thermische Stabilität von CCCM
Die am weitesten verbreiteten Methoden zur Herstellung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen sind:
1. Karbonisierung der Polymermatrix eines vorgeformten Kohlenstofffaser-Vorformlings durch Hochtemperatur-Wärmebehandlung in einer nicht oxidierenden Umgebung;
2. Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff aus der Gasphase, entsteht bei der thermischen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen in den Poren des Kohlefasersubstrats.
Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile. Beim Erstellen des UKCM sie werden oft kombiniert um dem Verbundwerkstoff die notwendigen Eigenschaften zu verleihen.
Karbonisierung der Polymermatrix. Der Karbonisierungsprozess ist die Wärmebehandlung eines Kohlenstofffaserprodukts auf eine Temperatur von 1073 K in einer nicht oxidierenden Umgebung (Inertgas, Kohleflöz usw.). Der Zweck der Wärmebehandlung besteht darin, das Bindemittel in Koks umzuwandeln. Während des Karbonisierungsprozesses kommt es zu einer thermischen Zerstörung der Matrix, begleitet von Massenverlust, Schrumpfung, der Bildung einer großen Anzahl von Poren und infolgedessen einer Verschlechterung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs.
Die Karbonisierung wird am häufigsten in Widerstands-Retortenöfen durchgeführt. Eine Retorte aus einer hitzebeständigen Legierung schützt das Produkt vor Oxidation durch Luftsauerstoff, die Heizelemente und die Isolierung vor Kontakt mit flüchtigen korrosiven Produkten der Bindemittelpyrolyse und sorgt für eine gleichmäßige Erwärmung des Ofenreaktionsvolumens.
Der Mechanismus und die Kinetik der Karbonisierung werden durch das Verhältnis der Geschwindigkeiten der Dissoziation chemischer Bindungen und der Rekombination der resultierenden Radikale bestimmt. Der Prozess geht mit der Entfernung verdampfender Harzverbindungen und gasförmiger Produkte sowie der Bildung von festem, mit Kohlenstoffatomen angereichertem Koks einher. Daher kommt es beim Karbonisierungsprozess auf die Wahl der Temperatur- und Zeitbedingungen an, die eine maximale Bildung von Koksrückständen aus dem Bindemittel gewährleisten sollen, da die mechanische Festigkeit des karbonisierten Verbundwerkstoffs unter anderem von der Koksmenge abhängt gebildet.
Je größer die Abmessungen des Produkts sind, desto länger sollte der Karbonisierungsprozess dauern. Die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs während der Karbonisierung beträgt mehrere Grad bis mehrere zehn Grad pro Stunde, die Dauer des Karbonisierungsprozesses beträgt 300 Stunden oder mehr. Die Karbonisierung endet üblicherweise im Temperaturbereich von 1073–1773 K, was dem Temperaturbereich des Übergangs von Kohlenstoff zu Graphit entspricht.
Die Eigenschaften von CCCM hängen weitgehend von der Art des Ausgangsbindemittels ab, bei dem es sich um synthetische organische Harze handelt, die einen hohen Koksrückstand erzeugen. Am häufigsten werden für diesen Zweck Phenol-Formaldehyd-Harze verwendet, da sie gut herstellbar und kostengünstig verfügbar sind und der bei diesem Prozess gebildete Koks sehr langlebig ist.
Phenol-Formaldehyd-Harze haben bestimmte Nachteile. Aufgrund der Polykondensationsnatur ihrer Aushärtung und der Freisetzung flüchtiger Verbindungen ist es schwierig, eine homogene, dichte Struktur zu erhalten. Das Ausmaß der Schrumpfung während der Karbonisierung von Phenol-Formaldehyd-Bindemitteln ist größer als bei anderen Arten von Bindemitteln, die bei der Herstellung von CCCM verwendet werden, was zum Auftreten innerer Spannungen im karbonisierten Verbundwerkstoff und zu einer Verschlechterung seiner physikalischen und mechanischen Eigenschaften führt.
Furan-Bindemittel erzeugen dichteren Koks. Ihre Schrumpfung während der Karbonisierung ist geringer und die Festigkeit von Koks ist höher als die von Phenol-Formaldehyd-Harzen. Daher werden bei der Herstellung von CCCM trotz des komplexeren Aushärtezyklus auch Bindemittel auf Basis von Furfural, Furfurylidenaceton und Furylalkohol verwendet.
Kohle- und Erdölpeche sind aufgrund ihres hohen Kohlenstoffgehalts (bis zu 92-95 %) und der hohen Kokszahl sehr vielversprechend für die Bildung einer Kohlenstoffmatrix. Die Vorteile von Pech gegenüber anderen Bindemitteln sind Verfügbarkeit und niedrige Kosten sowie der Ausschluss von Lösungsmitteln technologischer Prozess, gute Graphitierbarkeit des Kokses und seine hohe Dichte. Zu den Nachteilen von Pech zählen die Bildung erheblicher Porosität, die Verformung des Produkts und das Vorhandensein krebserregender Verbindungen in ihrer Zusammensetzung, was zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erfordert.
Aufgrund der Freisetzung flüchtiger Verbindungen während des thermischen Abbaus des Harzes entsteht im karbonisierten Kunststoff eine erhebliche Porosität, die die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von CCCM verringert. Daher vervollständigt die Karbonisierungsstufe von Kohlenstofffasern den Prozess, bei dem nur poröse Materialien erhalten werden, die keine hohe Festigkeit erfordern, beispielsweise CCCM niedriger Dichte für Wärmedämmzwecke. Um Porosität zu beseitigen und die Dichte zu erhöhen, wird das karbonisierte Material typischerweise erneut mit einem Bindemittel imprägniert und karbonisiert (dieser Zyklus kann mehrmals wiederholt werden). Die wiederholte Imprägnierung erfolgt in Autoklaven im „Vakuum-Druck“-Modus, d. h. zunächst wird das Werkstück im Vakuum erhitzt, anschließend wird ein Bindemittel zugeführt und ein Überdruck von bis zu 0,6-1,0 MPa erzeugt. Beim Imprägnieren kommen Lösungen und Schmelzen von Bindemitteln zum Einsatz und die Porosität des Verbundwerkstoffs nimmt mit jedem Zyklus ab, so dass es erforderlich ist, Bindemittel mit reduzierter Viskosität zu verwenden. Der Grad der Verdichtung bei der Nachimprägnierung hängt von der Art des Bindemittels, der Kokszahl, der Porosität des Produkts und dem Grad der Porenfüllung ab. Da die Dichte bei wiederholter Imprägnierung zunimmt, erhöht sich auch die Festigkeit des Materials. Mit dieser Methode ist es möglich, CCCM mit einer Dichte von bis zu 1800 kg/m 3 und mehr zu erhalten. Das Verfahren zur Karbonisierung von Kohlenstofffasern ist relativ einfach, erfordert keine komplexe Ausrüstung und gewährleistet eine gute Reproduzierbarkeit der Materialeigenschaften der resultierenden Produkte. Allerdings verlängert sich die Notwendigkeit wiederholter Verdichtungsvorgänge erheblich und erhöht die Kosten für die Beschaffung von Produkten aus CCCM, was einen gravierenden Nachteil dieser Methode darstellt.
Nach Erhalt des UKCM durch verfahren zur abscheidung von pyrolytischem kohlenstoff aus der gasphase Kohlenwasserstoffgas (Methan, Benzol, Acetylen usw.) oder eine Mischung aus Kohlenwasserstoff und Verdünnungsgas (Inertgas oder Wasserstoff) diffundiert durch den porösen Kohlenstofffaserrahmen, wo unter dem Einfluss hoher Temperatur eine Zersetzung des Kohlenwasserstoffs auftritt erhitzte Oberfläche der Faser. Durch den ausfallenden Pyrokohlenstoff entstehen nach und nach Verbindungsbrücken zwischen den Fasern. Die Abscheidungskinetik und die Struktur des resultierenden pyrolytischen Kohlenstoffs hängen von vielen Faktoren ab: Temperatur, Gasdurchflussrate, Druck, Reaktionsvolumen usw. Die Eigenschaften der resultierenden Verbundstoffe werden auch durch die Art und den Gehalt der Fasern bestimmt Verstärkungsschema.
Der Abscheidungsprozess erfolgt im Vakuum oder unter Druck in Induktionsöfen sowie in Widerstandsöfen.
Es wurden mehrere technologische Methoden zur Herstellung einer pyrolytischen Kohlenstoffmatrix entwickelt.
Mit der isothermen Methode Das Werkstück befindet sich in einer gleichmäßig beheizten Kammer. Für eine gleichmäßige Erwärmung im Induktionsofen sorgt ein brennstofferzeugendes Element – ein Suszeptor aus Graphit. Kohlenwasserstoffgas wird durch den Boden des Ofens zugeführt und diffundiert durch das Reaktionsvolumen und das Werkstück; Gasförmige Reaktionsprodukte werden über einen Auslass im Ofendeckel abgeführt.
Der Prozess wird üblicherweise bei einer Temperatur von 1173–1423 K und einem Druck von 130–2000 kPa durchgeführt. Eine Temperaturabsenkung führt zu einer Verringerung der Abscheidungsrate und einer übermäßigen Verlängerung der Prozessdauer. Ein Temperaturanstieg beschleunigt die Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff, aber das Gas hat keine Zeit, in das Volumen des Werkstücks zu diffundieren, und es kommt zur Oberflächenschichtung von pyrolytischem Kohlenstoff. Der Vorgang dauert Hunderte von Stunden.
Bei der Herstellung dünnwandiger Teile wird üblicherweise das isotherme Verfahren eingesetzt, da hier überwiegend die oberflächennahen Poren des Produkts gefüllt werden.
Es wird zur volumetrischen Sättigung von Poren und zur Herstellung dickwandiger Produkte verwendet. nicht-isotherme Methode, Dabei wird ein Temperaturgradient im Werkstück erzeugt, indem es auf einen beheizten Dorn oder Kern gelegt oder direkt mit Strom erhitzt wird. Kohlenwasserstoffgas wird von der Seite mit niedrigerer Temperatur zugeführt. Der Druck im Ofen entspricht normalerweise dem Atmosphärendruck. Dadurch kommt es in der heißesten Zone zur Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff. Der Kühleffekt von Gas, das mit hoher Geschwindigkeit über eine Oberfläche strömt, ist der wichtigste Weg, um einen Temperaturgradienten zu erreichen.
Eine Erhöhung der Dichte und Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs führt zu einer Verschiebung der Abscheidungstemperaturfront, was letztendlich eine volumetrische Verdichtung des Materials und die Herstellung von Produkten mit hoher Dichte (1700-1800 kg/m3) gewährleistet.
Das isotherme Verfahren zur Herstellung von CCCM mit Pyrokohlenstoffmatrix zeichnet sich durch folgende Vorteile aus: gute Reproduzierbarkeit der Eigenschaften; Einfachheit des technischen Designs; hohe Dichte und gute Graphitierbarkeit der Matrix; die Möglichkeit, mehrere Produkte gleichzeitig zu verarbeiten.
Zu den Nachteilen gehören: niedrige Abscheidungsrate; Oberflächenabscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff; schlechte Füllung großer Poren.
Das nicht-isotherme Verfahren hat folgende Vorteile: hohe Abscheidungsrate; Möglichkeit, große Poren zu füllen; volumetrische Abdichtung des Produkts.
Seine Nachteile sind wie folgt: komplexes Hardware-Design; es wird nur ein Produkt verarbeitet; unzureichende Dichte und Graphitierbarkeit der Matrix; Bildung von Mikrorissen.
3.4.4. Hochtemperatur-Wärmebehandlung (Graphitisierung) von CCCM. Die Struktur karbonisierter Kunststoffe und Verbundwerkstoffe mit Pyrokohlenstoffmatrix ist nach der Verdichtung aus der Gasphase unvollständig. Der Zwischenschichtabstand d002, der den Ordnungsgrad der Kohlenstoffmatrix charakterisiert, ist relativ groß – über 3,44·10 4 μm, und die Kristallgrößen sind relativ klein – normalerweise nicht mehr als 5·10 –3 μm, was typisch ist für zweidimensionale Anordnung der Grundschichten des Kohlenstoffs. Darüber hinaus können während des Produktionsprozesses innere Spannungen in ihnen entstehen, die zu Verformungen und Verzerrungen der Struktur des Produkts führen können, wenn diese Materialien bei Temperaturen oberhalb der Temperatur der Verkokung oder Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff verwendet werden. Wenn es daher erforderlich ist, ein thermisch stabileres Material zu erhalten, wird es einer Hochtemperaturbehandlung unterzogen. Die endgültige Wärmebehandlungstemperatur wird durch die Betriebsbedingungen bestimmt, ist jedoch durch die Sublimation des Materials begrenzt, die bei Temperaturen über 3273 K intensiv auftritt. Die Wärmebehandlung erfolgt in Induktions- oder Widerstandsöfen in einer nicht oxidierenden Umgebung (Graphithinterfüllung, Vakuum, Inertgas). Die Veränderung der Eigenschaften von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Materialien während der Hochtemperatur-Wärmebehandlung wird von vielen Faktoren bestimmt: der Art des Füllstoffs und der Matrix, der Endtemperatur und Dauer der Wärmebehandlung, der Art des Mediums und seines Drucks sowie anderen Faktoren. Bei hohen Temperaturen werden Energiebarrieren im Kohlenstoffmaterial überwunden, wodurch die Bewegung mehrkerniger Verbindungen, deren Anlagerung und gegenseitige Neuorientierung bei stärkerer Verdichtung verhindert wird.
Die Dauer dieser Prozesse ist kurz und der Umwandlungsgrad wird hauptsächlich von der Temperatur bestimmt. Daher ist die Dauer von Hochtemperatur-Wärmebehandlungsprozessen viel kürzer als bei der Carbonisierung oder Abscheidung von Pyrokohlenstoff und beträgt in der Regel mehrere Stunden. Bei der Hochtemperatur-Wärmebehandlung von karbonisierten Kunststoffen kommt es zu irreversiblen Verformungen des Produkts und einer allmählichen „Heilung“ von Defekten. Bei gut graphitisierten Materialien auf Pechbasis wird bei Temperaturen über 2473 K ein intensives Wachstum dreidimensional geordneter Kohlenstoffkristallite bis zum Übergang in eine graphitische Struktur beobachtet. Gleichzeitig bleiben bei karbonisierten Kunststoffen auf Basis schlecht graphitierter Polymerbindemittel strukturelle Defekte bis zu 3273 K bestehen und das Material verbleibt in einer nicht graphitierten Strukturform.
Faserverbundwerkstoffe aus Metall.
Eutektische Verbundmetallmaterialien.
Durch Sintern gebildete Metallverbundwerkstoffe.
Dispersionsverstärkte Materialien auf einer Metallmatrix.
Verbundwerkstoffe auf einer Metallmatrix.
Vorlesung Nr. 2
Laminierte verstärkte Kunststoffe
Textolithe– Materialien, die aus mit duroplastischem Kunstharz imprägnierten Stoffschichten bestehen.
Doppelte Köpfe– geschichtete Materialien, bestehend aus Folien aus Polyethylen, Polypropylen und anderen Thermoplasten, verbunden durch eine Unterschicht auf der Basis von Stoff, chemisch beständigem Gummi, nicht gewebten Fasermaterialien usw.
Linoleum– Polymer Rollenmaterial für Bodenbeläge – ist ein mehrschichtiges oder gewebebasiertes CPM, das Alkydharze, Polyvinylchlorid, synthetische Kautschuke und andere Polymere enthält.
Getinax– laminierter Kunststoff auf Papierbasis, imprägniert mit duroplastischem Kunstharz.
Metall-Kunststoff– ein Strukturmaterial, das aus einem Metallblech besteht, das auf einer oder beiden Seiten mit einer Polymerbeschichtung aus Polyethylen, Fluorkunststoff oder Polyvinylchlorid beschichtet ist.
Holzlaminate– Materialien, die durch „Heißpressen“ von Holzrohlingen (Furnier) gewonnen werden, die mit synthetischen duroplastischen Harzen imprägniert sind.
Thema: „VERBUNDWERKSTOFFE AUF METALLMATRIX“
Die KMM-Nomenklatur ist in drei Hauptgruppen unterteilt: 1) Dispersionsverstärkte Materialien, die mit Partikeln verstärkt sind, einschließlich Pseudolegierungen, die durch Pulvermetallurgie hergestellt werden; 2) eutektische Verbundwerkstoffe – Legierungen mit gerichteter Kristallisation eutektischer Strukturen; 3) Fasermaterialien, verstärkt mit Einzel- oder Endlosfasern.
Dispersionsverstärkte Materialien
Wenn in der Metallmatrix des KMG Partikel einer Festigungsphase mit einer Größe von 1...100 nm verteilt sind und 1...15 % des Volumens des Verbundwerkstoffs einnehmen, nimmt die Matrix den Großteil der einwirkenden mechanischen Belastung auf zum CMM, und die Rolle der Partikel reduziert sich auf die Schaffung eines wirksamen Widerstands gegen die Bewegung von Versetzungen im Matrixmaterial. Solche KMGs zeichnen sich durch eine erhöhte Temperaturstabilität aus, wodurch ihre Festigkeit bis zu Temperaturen (0,7...0,8) praktisch nicht abnimmt. T pl wo T pl – Schmelztemperatur der Matrix. Materialien dieser Art werden in zwei Gruppen eingeteilt: Sintermaterialien und Pseudomaterialien.
Durch Sintern gebildete Materialien enthalten fein dispergierte Partikel aus Oxiden, Karbiden, Nitriden und anderen feuerfesten Verbindungen sowie intermetallischen Verbindungen, die während der Bildung von CMMs nicht schmelzen oder sich in der Matrix auflösen. Die Technologie zur Formung von Produkten aus solchen KMGs gehört zum Bereich der Pulvermetallurgie und umfasst die Vorgänge der Gewinnung von Pulvermischungen, des Pressens in eine Form, des Sinterns der resultierenden Halbzeuge sowie der Verformung und Wärmebehandlung der Werkstücke.
Aluminiummatrixmaterialien. CMs mit einer Aluminiummatrix, die Anwendung gefunden haben, werden hauptsächlich mit Stahldraht, Bor und Kohlenstofffasern verstärkt. Als Matrix werden sowohl technisches Aluminium (z. B. AD1) als auch Legierungen (B95, D20 usw.) verwendet.
Dispersionsgehärtete Stähle enthalten Oxide als Verstärkungskomponenten: Al 2 O 3, TiO 2, ZrO 2 usw.
KMM auf einer Kobaltmatrix Thoriumoxid als dispergierten Zusatzstoff enthalten, auf Magnesiummatrix– eigene Oxide.
Materialien auf Kupferbasis, verstärkt mit Oxiden, Karbiden und Nitriden, erhalten eine Hitzebeständigkeit, die mit der hohen elektrischen Leitfähigkeit der Kupfermatrix kombiniert wird. Solche KMGs werden zur Herstellung von elektrischen Kontakten, Elektroden zum Rollenschweißen, Werkzeugen zur Funkenbearbeitung usw. verwendet.
KMM auf Nickelbasis, gefüllt mit Thoriumoxid und Hafniumoxid, sind für den Betrieb bei Temperaturen über 1000 °C ausgelegt und werden im Flugzeugbau, in der Energietechnik und in der Raumfahrttechnik eingesetzt.
Pseudolegierung ist ein durch Dispersion verstärktes CMM, bestehend aus Metall und metallähnlichen Phasen, die keine Lösungen bilden und keine chemischen Verbindungen eingehen. Die Technologie zur Bildung von Pseudolegierungen gehört zum Bereich der Pulvermetallurgie. Die letzten Arbeitsgänge zur Herstellung von Pseudolegierungen sind das Imprägnieren oder Flüssigphasensintern von Formen.
Beim Imprägnieren werden die Poren eines Formteils oder Sinterwerkstücks aus einer feuerfesten Komponente mit einer Schmelze einer niedrig schmelzenden Komponente einer Pseudolegierung gefüllt. Die Imprägnierung erfolgt durch Eintauchen des porösen Werkstücks in die Schmelze.
Das Spektrum der Pseudolegierungen umfasst hauptsächlich Werkstoffe für tribotechnische Zwecke.
Die Pseudolegierungen W – Cu und W – Ag auf Wolframbasis vereinen hohe Härte, Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Sie dienen der Herstellung elektrischer Kontakte. Dem gleichen Zweck dienen Pseudolegierungen auf Basis von Molybdän (Mo – Cu) und Nickel (Ni – Ag) usw.
Eutektische CMMs sind Legierungen mit eutektischer oder ähnlicher Zusammensetzung, in denen die Verstärkungsphase aus orientierten faserigen oder lamellaren Kristallen besteht, die während der gerichteten Kristallisation der Metallmatrix gebildet werden.
Die Technologie zur Bildung eutektischer KMGs besteht darin, dass die Probe mit konstanter Geschwindigkeit aus der Schmelze gezogen und dabei kontinuierlich gekühlt wird. Die Form der Kristallisationsfront hängt von der Ziehgeschwindigkeit und den Wärmeaustauschbedingungen ab, die durch die Strukturelemente des Kristallisators reguliert werden.
Faserstoffe. Die Technologie zur Bildung faseriger KMGs umfasst Methoden des Pressens, Walzens, gemeinsamen Ziehens, Extrudierens, Schweißens, Sprühens oder Auftragens sowie Imprägnieren.
Beim „Heiß“-Pressen (Pressen mit Erhitzen) entsteht CMM, dessen Ausgangsmatrixmaterial Pulver, Folien, Bänder, Bleche und andere Metallhalbzeuge sind. Sie und Verstärkungselemente (Draht, Keramik, Kohlenstoff oder andere Fasern) werden in einer bestimmten Reihenfolge auf einer Pressplatte oder in einer Form platziert und dann unter Erhitzen an Luft oder in einer inerten Atmosphäre gepresst.
Beim Walzen werden die gleichen Bauteile verarbeitet wie beim Pressen.
Die gemeinsame Zeichnungsmethode ist wie folgt. In das Matrixmetallwerkstück werden Löcher gebohrt, in die Bewehrungsstäbe oder Drähte eingeführt werden. Das Werkstück wird erhitzt und komprimiert und gezogen, was durch Glühen abgeschlossen wird.
Bei der Extrusionsmethode entstehen Produkte in Form von Stäben oder Rohren, die mit kontinuierlichen und einzelnen Fasern verstärkt sind. Ausgangsmaterial der Matrix sind Metallpulver,
Das Sortiment an Faser-KMG umfasst viele Materialien auf Matrizen aus Aluminium, Magnesium, Titan, Kupfer, Nickel, Kobalt usw.
Zu dieser Art von Verbundwerkstoffen gehören Materialien wie SAP (gesintertes Aluminiumpulver), bei denen es sich um mit dispergierten Aluminiumoxidpartikeln verstärktes Aluminium handelt. Aluminiumpulver wird durch Versprühen von geschmolzenem Metall und anschließendes Mahlen in Kugelmühlen auf eine Größe von etwa 1 Mikrometer in Gegenwart von Sauerstoff gewonnen. Mit zunehmender Mahldauer wird das Pulver feiner und sein Aluminiumoxidgehalt steigt. Weitere Technologien zur Herstellung von Produkten und Halbzeugen aus SAP umfassen Kaltpressen, Vorsintern, Heißpressen, Walzen oder Strangpressen eines gesinterten Aluminiumbarrens in Form von Fertigprodukten, die einer zusätzlichen Wärmebehandlung unterzogen werden können.
Legierungen vom Typ SAP werden in der Luftfahrttechnik zur Herstellung von Teilen mit hoher spezifischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei Temperaturen bis 300–500 °C eingesetzt. Aus ihnen werden Kolbenstangen, Verdichterschaufeln, Brennelementschalen und Wärmetauscherrohre hergestellt.
Die Verstärkung von Aluminium und seinen Legierungen mit Stahldraht erhöht deren Festigkeit, erhöht den Elastizitätsmodul, die Ermüdungsbeständigkeit und erweitert den Temperaturbereich der Lebensdauer des Materials.
Die Verstärkung mit Kurzfasern erfolgt durch pulvermetallurgische Verfahren, bestehend aus Pressen und anschließendem Hydroextrudieren oder Walzen von Rohlingen. Bei der Verstärkung von Sandwich-Zusammensetzungen, die aus abwechselnden Schichten von Aluminiumfolie und Fasern mit Endlosfasern bestehen, werden Walzen, Heißpressen, Explosionsschweißen und Diffusionsschweißen verwendet.
Ein vielversprechendes Material ist die Zusammensetzung „Aluminium-Berylliumdraht“, die die hohen physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Berylliumverstärkung und vor allem ihre geringe Dichte und hohe spezifische Steifigkeit realisiert. Zusammensetzungen mit Berylliumdraht werden durch Diffusionsschweißen von Paketen aus abwechselnden Schichten aus Berylliumdraht und Matrixblechen erhalten. Mit Stahl- und Berylliumdrähten verstärkte Aluminiumlegierungen werden zur Herstellung von Raketenkörperteilen und Treibstofftanks verwendet.
In der Aluminium-Kohlenstofffaser-Zusammensetzung ermöglicht die Kombination aus Verstärkung mit geringer Dichte und Matrix die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit hoher spezifischer Festigkeit und Steifigkeit. Nachteil Kohlefaser ist ihre Zerbrechlichkeit und hohe Reaktivität. Die Aluminium-Kohlenstoff-Zusammensetzung wird durch Imprägnieren von Kohlenstofffasern mit Flüssigmetall- oder Pulvermetallurgieverfahren erhalten. Der technologisch einfachste Weg besteht darin, Kohlenstofffaserbündel durch geschmolzenes Aluminium zu ziehen.
Der Aluminium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff wird beim Bau von Treibstofftanks moderner Kampfflugzeuge verwendet. Aufgrund der hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit des Materials wird das Gewicht von Kraftstofftanks um reduziert
dreißig %. Dieses Material wird auch zur Herstellung von Turbinenschaufeln für Flugzeuggasturbinentriebwerke verwendet.
ALLGEMEINE EIGENSCHAFTEN UND KLASSIFIZIERUNG
Traditionell verwendete metallische und nichtmetallische Werkstoffe haben ihre strukturellen Festigkeitsgrenzen weitgehend erreicht. Gleichzeitig erfordert die Entwicklung moderner Technologie die Schaffung von Materialien, die unter Einwirkung einer komplexen Kombination von Kraft- und Temperaturfeldern zuverlässig funktionieren aggressive Umgebungen, Strahlung, tiefes Vakuum und hoher Druck. Oftmals können die Anforderungen an Materialien widersprüchlich sein. Dieses Problem kann durch den Einsatz von Verbundwerkstoffen gelöst werden.
Verbundwerkstoff(CM) oder Komposit ist ein dreidimensionales heterogenes System, das aus ineinander unlöslichen Komponenten besteht, die sich in ihren Eigenschaften stark unterscheiden und deren Struktur es ermöglicht, die Vorteile jedes einzelnen von ihnen zu nutzen.
Der Mensch hat das Prinzip der Konstruktion von CM aus der Natur übernommen. Typische Verbundmaterialien sind Baumstämme, Pflanzenstämme, menschliche und tierische Knochen.
CMs ermöglichen eine vorgegebene Kombination heterogener Eigenschaften: hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Hitzeschutzeigenschaften usw. Das Eigenschaftsspektrum von CMs kann mit herkömmlichen Materialien nicht erreicht werden. Ihr Einsatz ermöglicht die Schaffung bisher unzugänglicher, grundlegend neuer Designs.
Dank CM ist ein neuer Qualitätssprung bei der Steigerung der Motorleistung, der Gewichtsreduzierung von Maschinen und Strukturen sowie der Steigerung der Gewichtseffizienz von Fahrzeugen und Luft- und Raumfahrtfahrzeugen möglich geworden.
Wichtige Eigenschaften von Materialien, die unter diesen Bedingungen arbeiten, sind die spezifische Festigkeit σ in /ρ und die spezifische Steifigkeit E/ρ, wobei σ in der temporäre Widerstand ist, E- Normalelastizitätsmodul, ρ – Dichte des Materials.
Hochfeste Legierungen weisen in der Regel eine geringe Duktilität, eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Spannungskonzentratoren und eine relativ geringe Beständigkeit gegen die Entstehung von Ermüdungsrissen auf. Obwohl Verbundwerkstoffe möglicherweise auch eine geringe Duktilität aufweisen, sind sie viel weniger empfindlich gegenüber Spannungserhöhern und widerstandsfähiger gegen Ermüdungsversagen. Dies wird durch unterschiedliche Mechanismen der Rissbildung in hochfesten Stählen und Legierungen erklärt. Bei hochfesten Stählen entwickelt sich ein Riss, der eine kritische Größe erreicht hat, anschließend mit fortschreitender Geschwindigkeit.
Bei Verbundwerkstoffen funktioniert ein anderer Mechanismus. Ein Riss, der sich in der Matrix bewegt, trifft an der Grenzfläche zwischen Matrix und Faser auf ein Hindernis. Fasern hemmen die Rissbildung und ihr Vorhandensein in der Kunststoffmatrix führt zu einer Erhöhung der Bruchzähigkeit.
Damit vereint das Verbundsystem zwei für Strukturwerkstoffe notwendige gegensätzliche Eigenschaften – hohe Festigkeit durch hochfeste Fasern und ausreichende Bruchzähigkeit durch die Kunststoffmatrix und den Mechanismus der Bruchenergiedissipation.
CMs bestehen aus einem relativ plastischen Matrix-Grundmaterial und härteren und haltbareren Komponenten, den Füllstoffen. Die Eigenschaften von CM hängen von den Eigenschaften der Basis, der Füllstoffe und der Stärke der Bindung zwischen ihnen ab.
Die Matrix bindet die Masse zu einem Monolithen, gibt ihr Form und dient der Übertragung äußerer Lasten auf die Füllstoffverstärkung. Abhängig vom Grundmaterial unterscheidet man CMs mit Metallmatrix bzw. Metallverbundwerkstoffen (MCM), mit Polymer-Polymer-Verbundwerkstoffen (PCM) und mit Keramik-Keramik-Verbundwerkstoffen (CCM).
Die führende Rolle bei der Stärkung von CMs spielen Füllstoffe, oft genannt Stärkungsmittel. Sie haben eine hohe Festigkeit, Härte und einen hohen Elastizitätsmodul. Basierend auf der Art der verstärkenden Füllstoffe werden CMs unterteilt Streuung verstärkt,faserig Und geschichtet(Abb. 28.2).
Reis. 28.2. Schemata der Struktur von Verbundwerkstoffen: A) Streuung verstärkt; B) faserig; V) geschichtet
In dispergierverstärkte CMs werden künstlich kleine, gleichmäßig verteilte feuerfeste Partikel aus Karbiden, Oxiden, Nitriden usw. eingebracht, die nicht mit der Matrix interagieren und sich bis zur Schmelztemperatur der Phasen darin nicht auflösen. Je kleiner die Füllstoffpartikel und je geringer der Abstand zwischen ihnen ist, desto stärker ist die CM. Im Gegensatz zu faserigen CMs ist beidispersionsverstärkten CMs das Haupttragelement die Matrix. Ein Ensemble aus dispergierten Füllstoffpartikeln stärkt das Material, indem es der Bewegung von Versetzungen unter Belastung Widerstand leistet, was eine plastische Verformung erschwert. Bis zur Schmelztemperatur der Matrix entsteht ein wirksamer Widerstand gegen die Bewegung von Versetzungen, wodurch sich durch Dispersion verstärkte CMs durch eine hohe Wärmebeständigkeit und Kriechfestigkeit auszeichnen.
Die Verstärkung in Faserverbundwerkstoffen kann aus Fasern unterschiedlicher Form bestehen: Fäden, Bänder, Netze unterschiedlicher Webart. Die Verstärkung von faserigem CM kann nach einem einachsigen, zweiachsigen und dreiachsigen Schema erfolgen (Abb. 28.3, A).
Die Festigkeit und Steifigkeit solcher Materialien wird durch die Eigenschaften der Verstärkungsfasern bestimmt, die die Hauptlast tragen. Die Verstärkung führt zu einer größeren Festigkeitssteigerung, die Dispersionsverstärkung ist jedoch technologisch einfacher umzusetzen.
Schichtverbundwerkstoffe (Abb. 28.3, B) bestehen aus abwechselnden Schichten von Füll- und Matrixmaterial („Sandwich“-Typ). Die Füllschichten in solchen CMs können unterschiedliche Orientierungen haben. Es ist möglich, abwechselnd Füllschichten aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zu verwenden. Für Schichtaufbauten werden üblicherweise nichtmetallische Materialien verwendet.
Reis. 28.3. Faserverstärkungsschemata ( A) und geschichtet ( B) Kompositmaterialien
DISPERSIERT RESTROENIERTE VERBUNDMATERIALIEN
Bei der Dispersionsverfestigung blockieren Partikel Gleitvorgänge in der Matrix. Die Wirksamkeit der Härtung hängt bei minimaler Wechselwirkung mit der Matrix von der Art der Partikel, ihrer Volumenkonzentration sowie der Gleichmäßigkeit der Verteilung in der Matrix ab. Es werden dispergierte Partikel aus feuerfesten Phasen wie Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC verwendet, die eine geringe Dichte und einen hohen Elastizitätsmodul aufweisen. CMs werden üblicherweise durch Pulvermetallurgie hergestellt, wobei ein wichtiger Vorteil in der Isotropie der Eigenschaften in verschiedene Richtungen liegt.
In der Industrie werden Dispersionsverstärkte CMs meist auf Aluminium- und seltener auf Nickelbasis eingesetzt. Typische Vertreter dieser Art von Verbundwerkstoffen sind Materialien wie SAP (Sinteraluminiumpulver), die aus einer Aluminiummatrix bestehen, die durch dispergierte Aluminiumoxidpartikel verstärkt wird. Aluminiumpulver wird durch Versprühen von geschmolzenem Metall und anschließendes Mahlen in Kugelmühlen auf eine Größe von etwa 1 Mikrometer in Gegenwart von Sauerstoff gewonnen. Mit zunehmender Mahldauer wird das Pulver feiner und sein Aluminiumoxidgehalt steigt. Weitere Technologien zur Herstellung von Produkten und Halbzeugen aus SAP umfassen Kaltpressen, Vorsintern, Heißpressen, Walzen oder Strangpressen eines gesinterten Aluminiumbarrens in Form von Fertigprodukten, die einer zusätzlichen Wärmebehandlung unterzogen werden können.
Legierungen vom Typ SAP lassen sich im heißen Zustand gut verformen, Legierungen mit 6–9 % Al 2 O 3 sogar bei Raumtemperatur. Daraus lassen sich durch Kaltziehen Folien bis zu einer Dicke von 0,03 mm herstellen. Diese Materialien sind leicht zu schneiden und weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
In Russland verwendete SAP-Typen enthalten 6–23 % Al 2 O 3 . Es gibt SAP-1 mit einem Gehalt von 6–9, SAP-2 mit 9–13, SAP-3 mit 13–18 % Al 2 O 3. Mit steigender Volumenkonzentration an Aluminiumoxid steigt die Festigkeit von Verbundwerkstoffen. Bei Raumtemperatur sind die Festigkeitseigenschaften von SAP-1 wie folgt: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 sind wie folgt: σ in = 420 MPa, σ 0,2 = 340 MPa.
Materialien wie SAP weisen eine hohe Hitzebeständigkeit auf und sind allen Aluminium-Knetlegierungen überlegen. Selbst bei einer Temperatur von 500 °C beträgt ihr σ mindestens 60–110 MPa. Die Hitzebeständigkeit wird durch die hemmende Wirkung dispergierter Partikel auf den Rekristallisationsprozess erklärt. Die Festigkeitseigenschaften von Legierungen vom Typ SAP sind sehr stabil. Langzeitfestigkeitstests von Legierungen vom Typ SAP-3 über 2 Jahre hatten sowohl bei Raumtemperatur als auch beim Erhitzen auf 500 °C praktisch keinen Einfluss auf das Eigenschaftsniveau. Bei 400 °C ist die Festigkeit von SAP fünfmal höher als die Festigkeit alternder Aluminiumlegierungen.
Legierungen vom Typ SAP werden in der Luftfahrttechnik zur Herstellung von Teilen mit hoher spezifischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei Temperaturen bis 300–500 °C eingesetzt. Daraus werden Kolbenstangen, Kompressorschaufeln, Brennelementschalen und Wärmetauscherrohre hergestellt.
CM wird pulvermetallurgisch unter Verwendung dispergierter Partikel aus Siliziumkarbid SiC hergestellt. Die chemische Verbindung SiC hat eine Reihe positiver Eigenschaften: hoher Schmelzpunkt (über 2650 °C), hohe Festigkeit (ca. 2000 MPa) und Elastizitätsmodul (> 450 GPa), niedrige Dichte (3200 kg/m3) und gute Korrosionsbeständigkeit . Die Herstellung abrasiver Siliziumpulver ist industriell beherrscht.
Aluminiumlegierungs- und SiC-Pulver werden gemischt, unter niedrigem Druck vorverdichtet und anschließend in Stahlbehältern im Vakuum bei der Schmelztemperatur der Matrixlegierung, also im fest-flüssigen Zustand, heißgepresst. Das resultierende Werkstück wird einer sekundären Verformung unterzogen, um Halbzeuge in der erforderlichen Form und Größe zu erhalten: Bleche, Stangen, Profile usw.