Materiales compuestos con matriz metálica. Para operar a temperaturas más altas se utilizan matrices metálicas.
Los CM metálicos tienen una serie de ventajas sobre los de polímero. Además de una temperatura de funcionamiento más alta, se caracterizan por una mejor isotropía y una mayor estabilidad de las propiedades durante el funcionamiento, así como una mayor resistencia a la erosión.
La plasticidad de las matrices metálicas confiere la viscosidad requerida a la estructura. Esto contribuye a la rápida igualación de las cargas mecánicas locales.
Una ventaja importante de los CM metálicos es la mayor capacidad de fabricación del proceso de fabricación, moldeado, tratamiento térmico y formación de juntas y recubrimientos.
La ventaja de los materiales compuestos a base de metal son valores más altos de características dependiendo de las propiedades de la matriz. Se trata, en primer lugar, de la resistencia temporal y del módulo de elasticidad a la tracción en la dirección perpendicular al eje de las fibras de refuerzo, la resistencia a la compresión y a la flexión, la ductilidad y la tenacidad a la fractura. Además, los materiales compuestos de matriz metálica conservan su características de fuerza a temperaturas más altas que los materiales con base no metálica. Son más resistentes a la humedad, no inflamables y tienen conductividad eléctrica. La alta conductividad eléctrica de los CM metálicos los protege bien de la radiación electromagnética y los rayos y reduce el peligro de la electricidad estática. La alta conductividad térmica de los CM metálicos protege contra el sobrecalentamiento local, lo cual es especialmente importante para productos como puntas de cohetes y bordes de ataque de las alas.
Los materiales más prometedores para matrices de materiales compuestos metálicos son los metales de baja densidad (A1, Mg, Ti) y sus aleaciones, así como el níquel, que actualmente se utiliza ampliamente como componente principal de las aleaciones resistentes al calor.
Los composites se obtienen mediante diferentes métodos. Estos incluyen la impregnación de un haz de fibras con fundidos líquidos de aluminio y magnesio, la pulverización con plasma y el uso de métodos de prensado en caliente, a veces seguidos de hidroextrusión o laminado de piezas en bruto. Cuando se refuerzan composiciones tipo sándwich que consisten en capas alternas de papel de aluminio y fibras con fibras continuas, se utilizan laminado, prensado en caliente, soldadura por explosión y soldadura por difusión. A partir de la fase metálica líquida se obtiene la fundición de varillas y tubos reforzados con fibras de alta resistencia. El haz de fibras se pasa continuamente a través de un baño fundido y se impregna bajo presión con aluminio o magnesio líquido. Al salir del baño de impregnación, las fibras se combinan y se pasan a través de una hilera para formar una varilla o tubo. Este método asegura el máximo llenado del composite con fibras (hasta un 85%), su distribución uniforme en la sección transversal y la continuidad del proceso.
Materiales de matriz de aluminio. Los materiales de la matriz de aluminio refuerzan principalmente alambre de acero(CAS), fibra de boro (BKA) y fibra de carbono (VKU). Como matriz se utilizan tanto aluminio técnico (por ejemplo, AD1) como aleaciones (AMg6, V95, D20, etc.).
El uso de una aleación (por ejemplo, B95) como matriz, reforzada mediante tratamiento térmico (endurecimiento y envejecimiento), proporciona un efecto adicional de fortalecimiento de la composición. Sin embargo, en la dirección del eje de la fibra es pequeño, mientras que en la dirección transversal, donde las propiedades están determinadas principalmente por las propiedades de la matriz, alcanza el 50%.
El material de refuerzo más barato, eficaz y accesible es el alambre de acero de alta resistencia. Así, reforzar el aluminio técnico con alambre de acero VNS9 con un diámetro de 0,15 mm (σ in = 3600 MPa) aumenta su resistencia entre 10 y 12 veces con un contenido en volumen de fibra del 25% y entre 14 y 15 veces con un aumento en el contenido de 40%, después de lo cual la resistencia temporal alcanza 1000-1200 y 1450 MPa, respectivamente. Si se utiliza alambre de menor diámetro para el refuerzo, es decir, mayor resistencia (σ in = 4200 MPa), la resistencia temporal del material compuesto aumentará a 1750 MPa. Así, el aluminio reforzado con alambre de acero (25-40%) en sus propiedades básicas supera significativamente incluso a las aleaciones de aluminio de alta resistencia y alcanza el nivel de las propiedades correspondientes de las aleaciones de titanio. En este caso, la densidad de las composiciones está en el intervalo de 3900-4800 kg/m3.
Reforzar el aluminio y sus aleaciones con fibras más caras B, C, A1 2 O e aumenta el costo de los materiales compuestos, pero al mismo tiempo algunas propiedades se mejoran de manera más efectiva: por ejemplo, cuando se refuerza con fibras de boro, el módulo de elasticidad aumenta 3 -4 veces, las fibras de carbono ayudan a reducir la densidad. El boro se ablanda poco al aumentar la temperatura, por lo que las composiciones reforzadas con fibras de boro conservan una alta resistencia hasta 400-500 ° C. Se ha encontrado industrialmente un material que contiene 50% en volumen de fibras de boro continuas de alta resistencia y alto módulo (VKA-1). solicitud. En términos de módulo elástico y resistencia temporal en el rango de temperatura de 20-500°C, supera todas las aleaciones de aluminio estándar, incluidas las de alta resistencia (B95) y las aleaciones especialmente diseñadas para funcionar a altas temperaturas (AK4-1). que se presenta claramente en la Fig. 13.35. La alta capacidad de amortiguación del material garantiza la resistencia a las vibraciones de las estructuras fabricadas con él. La densidad de la aleación es de 2650 kg/m 3 y la resistencia específica es de 45 km. Esto es significativamente mayor que el de los aceros de alta resistencia y las aleaciones de titanio.
Los cálculos han demostrado que sustituir la aleación B95 por una aleación de titanio en la fabricación del larguero de un ala de avión con elementos de refuerzo de VKA-1 aumenta su rigidez en un 45% y proporciona un ahorro de peso de aproximadamente un 42%.
Los compuestos reforzados con fibra de carbono (CFRP) a base de aluminio son más baratos y livianos que los compuestos de fibra de boro. Y aunque son inferiores a estos últimos en fuerza, tienen una fuerza específica similar (42 km). Sin embargo, la producción de materiales compuestos con refuerzo de carbono está asociada a grandes dificultades tecnológicas debido a la interacción del carbono con matrices metálicas cuando se calienta, provocando una disminución de la resistencia del material. Para eliminar este inconveniente, se utilizan revestimientos especiales de fibra de carbono.
Materiales con matriz de magnesio. Los materiales con matriz de magnesio (MCM) se caracterizan por una menor densidad (1800-2200 kg/m3) que el aluminio, con aproximadamente la misma alta resistencia de 1000-1200 MPa y, por tanto, mayor resistencia específica. Las aleaciones deformables de magnesio (MA2 y otras), reforzadas con fibra de boro (50 vol.%), tienen una resistencia específica > 50 km. La buena compatibilidad del magnesio y sus aleaciones con la fibra de boro, por un lado, permite fabricar piezas mediante el método de impregnación prácticamente sin procesamiento mecánico posterior y, por otro lado, garantiza una larga vida útil de las piezas a elevadas temperaturas. temperaturas. La resistencia específica de estos materiales aumenta mediante el uso de aleaciones ligeras de litio como matriz, así como mediante el uso de fibra de carbono más ligera. Pero, como se dijo anteriormente, la introducción de fibra de carbono complica la tecnología de aleaciones que ya son de baja tecnología. Como se sabe, el magnesio y sus aleaciones tienen una baja plasticidad tecnológica y una tendencia a formar una película de óxido suelta.
Materiales compuestos a base de titanio. Al crear materiales compuestos a base de titanio, surgen dificultades debido a la necesidad de calentarlos a altas temperaturas. A altas temperaturas, la matriz de titanio se vuelve muy activa; adquiere la capacidad de absorber gases e interactuar con muchos agentes fortalecedores: boro, carburo de silicio, óxido de aluminio, etc. Como resultado, se forman zonas de reacción y se reduce la resistencia tanto de las propias fibras como de los materiales compuestos en su conjunto. Y, además, las altas temperaturas provocan la recristalización y el ablandamiento de muchos materiales de refuerzo, lo que reduce el efecto fortalecedor del refuerzo. Por tanto, para reforzar materiales con matriz de titanio se utilizan alambres de berilio y fibras cerámicas de óxidos refractarios (Al 2 0 3), carburos (SiC), así como metales refractarios con un alto módulo elástico y una alta temperatura de recristalización (Mo, W ) son usados. Además, el propósito del refuerzo no es principalmente aumentar la ya alta resistencia específica, sino aumentar el módulo elástico y aumentar las temperaturas de funcionamiento. Propiedades mecánicas de la aleación de titanio VT6 (6% A1, 4% V, el resto A1), reforzada con fibras de Mo, Be y SiC, se presentan en la tabla. 13.9. Como se puede ver en. En la tabla, la rigidez específica aumenta más eficazmente cuando se refuerza con fibras de carburo de silicio.
El refuerzo de la aleación VT6 con alambre de molibdeno ayuda a mantener altos valores del módulo elástico hasta 800 "C. Su valor a esta temperatura corresponde a 124 GPa, es decir, disminuye en un 33%, mientras que la resistencia a la tracción temporal disminuye a 420 MPa, es decir. más de 3 veces.
Materiales compuestos a base de níquel. Los CM resistentes al calor se fabrican a base de aleaciones de níquel y cobalto, reforzados con cerámica (SiC, Si 3 Ni 4, Al 2 O 3) y fibras de carbono. La tarea principal en la creación de materiales compuestos a base de níquel (NBC) es aumentar la temperatura de funcionamiento por encima de 1000 °C. Y uno de los mejores refuerzos metálicos que puede proporcionar una buena resistencia a temperaturas tan altas es el alambre de tungsteno. La introducción de alambre de tungsteno en una cantidad del 40 al 70% en volumen en una aleación de níquel-cromo proporciona una resistencia a 1100°C durante 100 horas, respectivamente, 130 y 250 MPa, mientras que la mejor aleación de níquel no reforzada, diseñada para trabajar en similares condiciones, tiene una resistencia de 75 MPa. El uso de alambre fabricado a partir de aleaciones de tungsteno con renio o hafnio como refuerzo aumenta esta cifra entre un 30 y un 50%.
Los materiales compuestos se utilizan en muchas industrias y principalmente en la aviación, los cohetes y la tecnología espacial, donde es especialmente importante reducir el peso de las estructuras y al mismo tiempo aumentar la resistencia y la rigidez. Debido a sus altas características de resistencia específica y rigidez, se utilizan en la fabricación, por ejemplo, de estabilizadores horizontales y flaps de aviones, palas de rotor y contenedores de helicópteros, carrocerías y cámaras de combustión de motores a reacción, etc. El uso de materiales compuestos En las estructuras de los aviones se redujo su peso entre un 30 y un 40% y se aumentó la carga útil sin reducir la velocidad y el alcance.
Actualmente, los materiales compuestos se utilizan en la construcción de turbinas de energía (funcionamiento de turbinas y álabes de toberas), en la industria del automóvil (carrocerías de automóviles y refrigeradores, piezas de motores), en la construcción de máquinas (carrocerías y piezas de máquinas), en la industria química (autoclaves, tanques, contenedores), construcción naval (cascos de embarcaciones, embarcaciones, hélices), etc.
Las propiedades especiales de los materiales compuestos permiten utilizarlos como materiales aislantes eléctricos (fibras orgánicas), carenados radiotransparentes (fibra de vidrio), cojinetes (fibras de carbono) y otras piezas.
Materiales compuestos con matriz cerámica. Para las temperaturas de funcionamiento más altas se utiliza cerámica como material matriz. Como matrices cerámicas se utilizan materiales de silicato (SiO 2), aluminosilicato (Al 2 O 3 - SiO 2), aluminoborosilicato (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2), óxidos de aluminio refractarios (Al 2 O 3) y circonio. (ZrO 2), berilio (BeO), nitruro de silicio (Si 3 N 4), boruros de titanio (TiB 2) y circonio (ZrB 2), carburos de silicio (SiC) y titanio (TiC). Los composites con matriz cerámica tienen altos puntos de fusión, resistencia a la oxidación, choque térmico y vibración, y resistencia a la compresión. CM cerámicos a base de carburos y óxidos con aditivos en polvo metálico (< 50об. %) называются cermet . Además de los polvos, para reforzar los CM cerámicos se utilizan alambres metálicos de tungsteno, molibdeno, niobio, acero resistente al calor y fibras no metálicas (cerámica y carbono). El uso de alambre metálico crea un marco de plástico que protege el CM de la destrucción cuando la frágil matriz cerámica se agrieta. La desventaja de los CM cerámicos reforzados con fibras metálicas es su baja resistencia al calor. Los CM con una matriz de óxidos refractarios (pueden usarse hasta 1000°C), boruros y nitruros (hasta 2000°C) y carburos (más de 2000°C) tienen una alta resistencia al calor. Cuando los CM cerámicos se refuerzan con fibras de carburo de silicio se consigue una alta fuerza de unión entre ellos y la matriz, combinada con resistencia a la oxidación a altas temperaturas, lo que permite su uso para la fabricación de piezas muy cargadas (alta temperatura cojinetes, juntas, álabes de trabajo de motores de turbina de gas, etc.). La principal desventaja de la cerámica, la falta de ductilidad, se compensa en cierta medida con fibras de refuerzo que inhiben la propagación de grietas en la cerámica.
Compuesto carbono-carbono . El uso de carbono amorfo como material de matriz y fibras de carbono cristalino (grafito) como material de refuerzo hizo posible crear un compuesto que puede soportar un calentamiento de hasta 2500 °C. Un compuesto de carbono-carbono de este tipo es prometedor para la astronáutica y la aviación transatmosférica. La desventaja de la matriz de carbono es la posible oxidación y ablación. Para evitar estos fenómenos, el composite se recubre con una fina capa de carburo de silicio.
La matriz de carbono, similar en propiedades físicas y químicas a la fibra de carbono, garantiza la estabilidad térmica del CCCM.
Los métodos más utilizados para producir compuestos carbono-carbono son:
1. carbonización de la matriz polimérica de una preforma de fibra de carbono preformada mediante tratamiento térmico a alta temperatura en un ambiente no oxidante;
2. deposición de la fase gaseosa de carbón pirolítico, formado durante la descomposición térmica de hidrocarburos en los poros del sustrato de fibra de carbono.
Ambos métodos tienen sus ventajas y desventajas. Al crear el UKCM a menudo se combinan para darle al compuesto las propiedades necesarias.
Carbonización de la matriz polimérica. El proceso de carbonización es el tratamiento térmico de un producto de fibra de carbono a una temperatura de 1073 K en un ambiente no oxidante (gas inerte, lecho de carbón, etc.). El objetivo del tratamiento térmico es convertir el aglutinante en coque. Durante el proceso de carbonización se produce destrucción térmica de la matriz, acompañada de pérdida de masa, contracción, formación de una gran cantidad de poros y, como resultado, una disminución de las propiedades físicas y mecánicas del composite.
La carbonización se lleva a cabo con mayor frecuencia en hornos de retorta de resistencia. Una retorta hecha de una aleación resistente al calor protege el producto de la oxidación por el oxígeno atmosférico y los elementos calefactores y el aislamiento del contacto con productos corrosivos volátiles de la pirólisis del aglutinante y garantiza un calentamiento uniforme del volumen de reacción del horno.
El mecanismo y la cinética de la carbonización están determinados por la relación entre las tasas de disociación de los enlaces químicos y la recombinación de los radicales resultantes. El proceso va acompañado de la eliminación de los compuestos resinosos y productos gaseosos que se evaporan y la formación de coque sólido, enriquecido con átomos de carbono. Por tanto, en el proceso de carbonización, el punto clave es la elección de las condiciones de temperatura y tiempo, que deben asegurar la máxima formación de residuo de coque a partir del aglutinante, ya que la resistencia mecánica del compuesto carbonizado depende, entre otras cosas, de la cantidad de coque. formado.
Cuanto mayores sean las dimensiones del producto, más largo debe ser el proceso de carbonización. La tasa de aumento de temperatura durante la carbonización es de varios grados a varias decenas de grados por hora, la duración del proceso de carbonización es de 300 horas o más. La carbonización suele terminar en el rango de temperatura de 1073-1773 K, correspondiente al rango de temperatura de transición del carbono al grafito.
Las propiedades del CCCM dependen en gran medida del tipo de aglutinante inicial, que se utiliza como resinas orgánicas sintéticas que producen un alto residuo de coque. La mayoría de las veces, las resinas de fenol-formaldehído se utilizan para este propósito debido a su capacidad de fabricación, su baja disponibilidad de costos y el coque formado en este proceso es muy duradero.
Las resinas de fenol-formaldehído tienen ciertas desventajas. Debido a la naturaleza de policondensación de su curado y la liberación de compuestos volátiles, es difícil obtener una estructura densa y homogénea. La cantidad de contracción durante la carbonización de los aglutinantes de fenol-formaldehído es mayor que para otros tipos de aglutinantes utilizados en la producción de CCCM, lo que conduce a la aparición de tensiones internas en el compuesto carbonizado y a una disminución de sus propiedades físicas y mecánicas.
Los aglutinantes de furano producen un coque más denso. Su contracción durante la carbonización es menor y la resistencia del coque es mayor que la de las resinas de fenol-formaldehído. Por lo tanto, a pesar del ciclo de curado más complejo, en la producción de CCCM también se utilizan aglutinantes a base de furfural, furfurilidenacetona y alcohol furílico.
Las breas de carbón y petróleo son muy prometedoras para obtener una matriz de carbono debido a su alto contenido de carbono (hasta 92-95%) y su alto número de coque. Las ventajas de las breas sobre otros aglutinantes son la disponibilidad y el bajo costo, la exclusión del solvente de proceso tecnológico, buena grafitabilidad del coque y su alta densidad. Las desventajas de las breas incluyen la formación de una porosidad significativa, la deformación del producto y la presencia de compuestos cancerígenos en su composición, lo que requiere medidas de seguridad adicionales.
Debido a la liberación de compuestos volátiles durante la degradación térmica de la resina, aparece una porosidad significativa en el plástico carbonizado, lo que reduce las propiedades físicas y mecánicas del CCCM. Por tanto, la etapa de carbonización de la fibra de carbono completa el proceso de obtención únicamente de materiales porosos que no requieren alta resistencia, por ejemplo, CCCM de baja densidad para fines de aislamiento térmico. Normalmente, para eliminar la porosidad y aumentar la densidad, el material carbonizado se vuelve a impregnar con un aglutinante y se carboniza (este ciclo se puede repetir varias veces). La impregnación repetida se lleva a cabo en autoclaves en el modo "vacío-presión", es decir, primero se calienta la pieza de trabajo al vacío, después de lo cual se suministra un aglutinante y se crea un exceso de presión de hasta 0,6-1,0 MPa. Durante la impregnación se utilizan soluciones y aglutinantes fundidos, y la porosidad del composite disminuye con cada ciclo, por lo que es necesario utilizar aglutinantes de viscosidad reducida. El grado de compactación durante la reimpregnación depende del tipo de conglomerante, número de coque, porosidad del producto y grado de llenado de los poros. A medida que aumenta la densidad durante la impregnación repetida, también aumenta la resistencia del material. Con este método es posible obtener CCCM con una densidad de hasta 1800 kg/m 3 y superiores. El método de carbonización de fibra de carbono es relativamente sencillo, no requiere equipos complejos y garantiza una buena reproducibilidad de las propiedades materiales de los productos resultantes. Sin embargo, la necesidad de operaciones repetidas de compactación alarga y aumenta significativamente el coste de obtención de productos a partir de CCCM, lo que constituye un grave inconveniente de este método.
Al recibir el UKCM por método de deposición de carbón pirolítico de la fase gaseosa El gas hidrocarburo (metano, benceno, acetileno, etc.) o una mezcla de hidrocarburo y gas diluyente (gas inerte o hidrógeno) se difunde a través del marco poroso de fibra de carbono, donde, bajo la influencia de altas temperaturas, se produce la descomposición del hidrocarburo en la superficie. superficie calentada de la fibra. El pirocarbono que precipita crea gradualmente puentes de conexión entre las fibras. La cinética de deposición y la estructura del carbón pirolítico resultante dependen de muchos factores: temperatura, caudal de gas, presión, volumen de reacción, etc. Las propiedades de los compuestos resultantes también están determinadas por el tipo y contenido de la fibra, y la esquema de refuerzo.
El proceso de deposición se realiza al vacío o bajo presión en hornos de inducción, así como en hornos de resistencia.
Se han desarrollado varios métodos tecnológicos para producir matriz de carbono pirolítico.
Con el método isotérmico la pieza de trabajo se encuentra en una cámara calentada uniformemente. El calentamiento uniforme en un horno de inducción se garantiza con la ayuda de un elemento generador de combustible: un susceptor de grafito. El gas hidrocarburo se suministra a través del fondo del horno y se difunde a través del volumen de reacción y la pieza de trabajo; Los productos de reacción gaseosos se eliminan a través de una salida en la tapa del horno.
El proceso se suele llevar a cabo a una temperatura de 1173-1423 K y una presión de 130-2000 kPa. Una disminución de la temperatura conduce a una disminución de la velocidad de deposición y a un alargamiento excesivo de la duración del proceso. Un aumento de temperatura acelera la deposición de carbón pirolítico, pero el gas no tiene tiempo de difundirse en el volumen de la pieza de trabajo y se producen capas superficiales de carbón pirolítico. El proceso lleva cientos de horas.
El método isotérmico se suele utilizar para la fabricación de piezas de paredes delgadas, ya que en este caso se rellenan predominantemente los poros situados cerca de la superficie del producto.
Se utiliza para la saturación volumétrica de poros y la producción de productos de paredes gruesas. método no isotérmico, que consiste en crear un gradiente de temperatura en la pieza colocándola sobre un mandril o núcleo calentado o calentándola directamente con corriente. El gas hidrocarburo se suministra desde el lado que tiene una temperatura más baja. La presión en el horno suele ser igual a la presión atmosférica. Como resultado, se produce la deposición de carbón pirolítico en la zona más caliente. El efecto de enfriamiento del gas que fluye sobre una superficie a alta velocidad es la forma principal de lograr un gradiente de temperatura.
Un aumento de la densidad y la conductividad térmica del compuesto conduce a un movimiento del frente de temperatura de deposición, lo que finalmente garantiza la compactación volumétrica del material y la producción de productos con alta densidad (1700-1800 kg/m3).
El método isotérmico para producir CCCM con matriz de pirocarbono se caracteriza por las siguientes ventajas: buena reproducibilidad de propiedades; simplicidad del diseño técnico; alta densidad y buena grafitabilidad de la matriz; la capacidad de procesar varios productos simultáneamente.
Las desventajas incluyen: baja tasa de deposición; deposición superficial de carbón pirolítico; Mal llenado de poros dilatados.
El método no isotérmico tiene las siguientes ventajas: alta tasa de deposición; posibilidad de rellenar los poros dilatados; Sellado volumétrico del producto.
Sus desventajas son las siguientes: diseño de hardware complejo; sólo se procesa un producto; densidad y grafitabilidad insuficientes de la matriz; formación de microfisuras.
3.4.4. Tratamiento térmico a alta temperatura (grafitización) de CCCM. La estructura de los plásticos carbonizados y los compuestos con una matriz de pirocarbono después de la compactación desde la fase gaseosa es imperfecta. La distancia entre capas d002, que caracteriza el grado de ordenamiento de la matriz de carbono, es relativamente grande (más de 3,44·10 4 μm) y los tamaños de los cristales son relativamente pequeños (normalmente no más de 5·10 -3 μm, lo cual es típico de Ordenamiento bidimensional de las capas básicas de carbono. Además, durante el proceso de producción pueden surgir tensiones internas en los mismos, que pueden provocar deformaciones y distorsiones de la estructura del producto cuando estos materiales se utilizan a temperaturas superiores a la temperatura de carbonización o deposición de carbón pirolítico. Por tanto, si es necesario obtener un material más estable térmicamente, se somete a un tratamiento a alta temperatura. La temperatura final del tratamiento térmico está determinada por las condiciones de funcionamiento, pero está limitada por la sublimación del material, que se produce intensamente a temperaturas superiores a 3273 K. El tratamiento térmico se lleva a cabo en hornos de inducción o de resistencia en un ambiente no oxidante (relleno de grafito, vacío, gas inerte). El cambio en las propiedades de los materiales de carbono-carbono durante el tratamiento térmico a alta temperatura está determinado por muchos factores: el tipo de relleno y matriz, la temperatura final y la duración del tratamiento térmico, el tipo de medio y su presión, y otros factores. A altas temperaturas se superan las barreras energéticas en el material de carbono, impidiendo el movimiento de compuestos multinucleares, su unión y reorientación mutua con un mayor grado de compactación.
La duración de estos procesos es corta y el grado de conversión está determinado principalmente por la temperatura. Por lo tanto, la duración de los procesos de tratamiento térmico a alta temperatura es mucho más corta que en el caso de la carbonización o deposición de pirocarbono, y normalmente asciende a varias horas. Durante el tratamiento térmico a alta temperatura de plásticos carbonizados, se producen deformaciones irreversibles del producto y una "curación" gradual de los defectos. En materiales bien grafitizados a base de brea a temperaturas superiores a 2473 K se observa un crecimiento intensivo de cristalitos de carbono ordenados tridimensionalmente hasta la transición a una estructura grafítica. Al mismo tiempo, en los plásticos carbonizados a base de aglutinantes poliméricos mal grafitizados, los defectos estructurales persisten hasta 3273 K y el material permanece en una forma estructural no grafitizada.
Materiales metálicos compuestos fibrosos.
Materiales metálicos compuestos eutécticos.
Materiales metálicos compuestos formados por sinterización.
Materiales reforzados por dispersión sobre una matriz metálica.
Materiales compuestos sobre matriz metálica.
Conferencia No. 2
Plásticos reforzados laminados
Textolitas– materiales formados a partir de capas de tejido impregnadas de resina sintética termoendurecible.
Cabezas duplicadas– materiales estratificados formados por láminas de polietileno, polipropileno y otros termoplásticos, unidas por una subcapa a base de tejido, caucho químicamente resistente, materiales fibrosos no tejidos, etc.
Linóleo– polímero material en rollo para pisos: es un CPM multicapa o a base de tela que contiene resinas alquídicas, cloruro de polivinilo, cauchos sintéticos y otros polímeros.
getinax– plástico laminado a base de papel impregnado de resina sintética termoendurecible.
metal-plástico– un material estructural que consiste en una lámina de metal recubierta en uno o ambos lados con un recubrimiento polimérico de polietileno, fluoroplástico o cloruro de polivinilo.
Laminados de madera– materiales obtenidos por prensado “en caliente” de piezas de madera (chapa) impregnadas de resinas sintéticas termoendurecibles.
Tema: “MATERIALES COMPUESTOS SOBRE MATRIZ METÁLICA”
La nomenclatura KMM se divide en tres grupos principales: 1) materiales reforzados por dispersión y reforzados con partículas, incluidas pseudoaleaciones producidas por pulvimetalurgia; 2) materiales compuestos eutécticos: aleaciones con cristalización direccional de estructuras eutécticas; 3) materiales fibrosos reforzados con fibras discretas o continuas.
Materiales reforzados por dispersión
Si en la matriz metálica de la MMC se distribuyen partículas de una fase de refuerzo con un tamaño de 1...100 nm, ocupando entre el 1...15% del volumen del compuesto, la matriz absorbe la mayor parte de la carga mecánica aplicada. a la MMC, y el papel de las partículas se reduce a crear una resistencia efectiva al movimiento de las dislocaciones en el material de la matriz. Estas MMC se caracterizan por una mayor estabilidad térmica, por lo que su resistencia prácticamente no disminuye hasta temperaturas (0,7...0,8). t pl donde t pl – temperatura de fusión de la matriz. Los materiales de este tipo se dividen en dos grupos: materiales sinterizados y pseudomateriales.
Los materiales formados por sinterización contienen partículas finamente dispersas de óxidos, carburos, nitruros y otros compuestos refractarios, así como compuestos intermetálicos, que durante la formación de las CMM no se funden ni se disuelven en la matriz. La tecnología para formar productos a partir de tales MMC pertenece al campo de la pulvimetalurgia e incluye las operaciones de obtención de mezclas de polvos, prensarlas en un molde, sinterizar los productos semiacabados resultantes, deformar y tratar térmicamente las piezas de trabajo.
Materiales de matriz de aluminio. Los CM con matriz de aluminio que han encontrado aplicación están reforzados principalmente con alambre de acero, boro y fibras de carbono, como matriz se utiliza tanto aluminio técnico (por ejemplo, AD1) como aleaciones (B95, D20, etc.).
Aceros templados por dispersión contienen óxidos como componentes fortalecedores: Al 2 O 3, TiO 2, ZrO 2, etc.
KMM en matriz de cobalto contienen óxido de torio como aditivo disperso, en matriz de magnesio– óxidos propios.
Materiales a base de cobre Los reforzados con óxidos, carburos y nitruros adquieren resistencia al calor, que se combina con la alta conductividad eléctrica de la matriz de cobre. Estas MMC se utilizan para la fabricación de contactos eléctricos, electrodos para soldadura de rodillos, herramientas para mecanizado por chispa, etc.
KMM a base de níquel, llenos de óxido de torio y óxido de hafnio, están diseñados para funcionar a temperaturas superiores a 1000 o C y se utilizan en la construcción de aviones, ingeniería energética y tecnología espacial.
La pseudoaleación es una MMC reforzada con dispersión, que consta de fases metálicas y similares a metales que no forman soluciones y no entran en compuestos químicos. La tecnología de formación de pseudoaleaciones pertenece al campo de la pulvimetalurgia. Las operaciones finales para producir pseudoaleaciones son la impregnación o sinterización en fase líquida de moldes.
La impregnación consiste en rellenar los poros de una pieza moldeada o sinterizada de un componente refractario con una masa fundida de un componente de pseudoaleación de bajo punto de fusión. La impregnación se realiza sumergiendo la pieza porosa en la masa fundida.
La gama de pseudoaleaciones incluye principalmente materiales con fines tribotécnicos.
Las pseudoaleaciones a base de tungsteno W – Cu y W – Ag combinan alta dureza, resistencia y conductividad eléctrica. Se utilizan para hacer contactos eléctricos. Las pseudoaleaciones a base de molibdeno (Mo – Cu) y níquel (Ni – Ag), etc. tienen el mismo propósito.
Las CMM eutécticas son aleaciones de composición eutéctica o similar, en las que la fase de refuerzo son cristales fibrosos o laminares orientados formados durante la cristalización direccional de la matriz metálica.
La tecnología para formar CMM eutécticas es que la muestra se extrae de la masa fundida a una velocidad constante, sometiéndola a un enfriamiento continuo. La forma del frente de cristalización depende de la velocidad de estirado y de las condiciones de intercambio de calor, reguladas por los elementos estructurales del cristalizador.
Materiales fibrosos. La tecnología para formar MMC fibrosas incluye métodos de prensado, laminado, coestirado, extrusión, soldadura, pulverización o deposición, así como impregnación.
El prensado “en caliente” (prensado con calentamiento) produce MMC, cuyo material matriz inicial son polvos, láminas, cintas, láminas y otros productos semiacabados de metal. Ellos y los elementos de refuerzo (alambre, cerámica, carbono u otras fibras) se colocan en un orden determinado sobre una placa de prensa o en un molde y luego se prensan cuando se calientan al aire o en una atmósfera inerte.
Los mismos componentes se procesan mediante laminación y prensado.
El método de dibujo conjunto es el siguiente. En la pieza de trabajo de metal de matriz se perforan agujeros en los que se insertan varillas o alambre de refuerzo. La pieza de trabajo se calienta, se comprime y se estira, lo que se completa mediante recocido.
El método de extrusión produce productos en forma de varillas o tubos reforzados con fibras continuas y discretas. El material de partida de la matriz son polvos metálicos,
La gama de MMC fibrosas incluye muchos materiales sobre matrices de aluminio, magnesio, titanio, cobre, níquel, cobalto, etc.
Este tipo de materiales compuestos incluye materiales como el SAP (polvo de aluminio sinterizado), que son aluminio reforzado con partículas dispersas de óxido de aluminio. El polvo de aluminio se obtiene pulverizando metal fundido y luego moliéndolo en molinos de bolas hasta un tamaño de aproximadamente 1 micrón en presencia de oxígeno. A medida que aumenta el tiempo de molienda, el polvo se vuelve más fino y aumenta su contenido de óxido de aluminio. Otras tecnologías para la producción de productos y productos semiacabados de SAP incluyen el prensado en frío, la presinterización, el prensado en caliente, el laminado o la extrusión de una pieza en bruto de aluminio sinterizado en forma de productos terminados que pueden someterse a un tratamiento térmico adicional.
Las aleaciones del tipo SAP se utilizan en la tecnología aeronáutica para la fabricación de piezas con alta resistencia específica y resistencia a la corrosión, que funcionan a temperaturas de hasta 300-500 °C. Se utilizan para fabricar vástagos de pistón, palas de compresores, carcasas de elementos combustibles y tubos de intercambiadores de calor.
El refuerzo del aluminio y sus aleaciones con alambre de acero aumenta su resistencia, aumenta el módulo de elasticidad, la resistencia a la fatiga y amplía el rango de temperatura de la vida útil del material.
El refuerzo con fibras cortas se realiza mediante métodos pulvimetalúrgicos, que consisten en prensado seguido de hidroextrusión o laminado de piezas en bruto. Cuando se refuerzan composiciones tipo sándwich que consisten en capas alternas de papel de aluminio y fibras con fibras continuas, se utilizan laminado, prensado en caliente, soldadura por explosión y soldadura por difusión.
Un material muy prometedor es la composición “alambre de aluminio y berilio”, que reconoce las altas propiedades físicas y mecánicas del refuerzo de berilio y, sobre todo, su baja densidad y su alta rigidez específica. Las composiciones con alambre de berilio se obtienen mediante soldadura por difusión de paquetes de capas alternas de alambre de berilio y láminas de matriz. Las aleaciones de aluminio reforzadas con alambres de acero y berilio se utilizan para fabricar partes del cuerpo de cohetes y tanques de combustible.
En la composición de aluminio y fibra de carbono, la combinación de refuerzo y matriz de baja densidad permite crear materiales compuestos con alta resistencia y rigidez específicas. Desventaja Fibra de carbon es su fragilidad y alta reactividad. La composición de aluminio y carbono se obtiene impregnando fibras de carbono con metal líquido o métodos de pulvimetalurgia. Tecnológicamente, la forma más sencilla de hacerlo es pasar haces de fibras de carbono a través de aluminio fundido.
El compuesto de aluminio y carbono se utiliza en la construcción de tanques de combustible de los aviones de combate modernos. Debido a la alta resistencia específica y rigidez del material, el peso de los tanques de combustible se reduce en
treinta %. Este material también se utiliza para la fabricación de álabes de turbinas para motores de turbina de gas de aviones.
CARACTERÍSTICAS GENERALES Y CLASIFICACIÓN
Los materiales metálicos y no metálicos utilizados tradicionalmente han alcanzado en gran medida sus límites de resistencia estructural. Al mismo tiempo, el desarrollo de la tecnología moderna requiere la creación de materiales que funcionen de manera confiable en una combinación compleja de campos de fuerza y temperatura cuando se exponen a ambientes agresivos, radiación, vacío profundo y alta presión. A menudo, los requisitos de los materiales pueden ser contradictorios. Este problema se puede solucionar utilizando materiales compuestos.
Material compuesto(CM) o compuesto es un sistema heterogéneo tridimensional formado por componentes mutuamente insolubles que difieren mucho en propiedades, cuya estructura permite aprovechar las ventajas de cada uno de ellos.
El hombre tomó prestado de la naturaleza el principio de construir CM. Los materiales compuestos típicos son troncos de árboles, tallos de plantas y huesos humanos y animales.
Los CM le permiten tener una combinación determinada de propiedades heterogéneas: alta resistencia y rigidez específicas, resistencia al calor, resistencia al desgaste, propiedades de protección térmica, etc. La gama de propiedades de los CM no se puede obtener utilizando materiales convencionales. Su uso permite crear diseños fundamentalmente nuevos y antes inaccesibles.
Gracias a CM, ha sido posible un nuevo salto cualitativo al aumentar la potencia del motor, reducir el peso de máquinas y estructuras y aumentar la eficiencia del peso de los vehículos y vehículos aeroespaciales.
Las características importantes de los materiales que operan en estas condiciones son la resistencia específica σ en /ρ y la rigidez específica. mi/ρ, donde σ in es la resistencia temporal, mi- módulo de elasticidad normal, ρ – densidad del material.
Las aleaciones de alta resistencia, por regla general, tienen baja ductilidad, alta sensibilidad a los concentradores de tensiones y una resistencia relativamente baja al desarrollo de grietas por fatiga. Aunque los materiales compuestos también pueden tener baja ductilidad, son mucho menos sensibles a los generadores de tensión y son más resistentes a la falla por fatiga. Esto se explica por diferentes mecanismos de formación de grietas en aceros y aleaciones de alta resistencia. En los aceros de alta resistencia, una grieta que alcanza un tamaño crítico se desarrolla posteriormente a un ritmo progresivo.
En los materiales compuestos opera un mecanismo diferente. Una grieta que se mueve en la matriz encuentra un obstáculo en la interfaz matriz-fibra. Las fibras inhiben el desarrollo de grietas y su presencia en la matriz plástica conduce a un aumento de la tenacidad a la fractura.
Por tanto, el sistema compuesto combina dos propiedades opuestas necesarias para los materiales estructurales: alta resistencia gracias a las fibras de alta resistencia y suficiente tenacidad a la fractura gracias a la matriz plástica y al mecanismo de disipación de la energía de fractura.
Los CM constan de un material base de matriz relativamente plástica y componentes más duros y duraderos, que son rellenos. Las propiedades del CM dependen de las propiedades de la base, las cargas y la fuerza de la unión entre ellos.
La matriz une la composición formando un monolito, le da forma y sirve para transferir cargas externas al refuerzo de relleno. Dependiendo del material base, se distinguen los CM con matriz metálica o materiales compuestos metálicos (MCM), con materiales compuestos polímero-polímero (PCM) y con materiales compuestos cerámico-cerámicos (CCM).
El papel principal en el fortalecimiento de los CM lo desempeñan los rellenos, a menudo llamados fortalecedores. Tienen alta resistencia, dureza y módulo elástico. Según el tipo de rellenos fortalecedores, los CM se dividen en dispersión fortalecida,fibroso Y en capas(Figura 28.2).
Arroz. 28.2. Esquemas de la estructura de materiales compuestos: A) se fortaleció la dispersión; b) fibroso; V) en capas
En los CM reforzados con dispersión se introducen artificialmente pequeñas partículas refractarias de carburos, óxidos, nitruros, etc., distribuidas uniformemente, que no interactúan con la matriz y no se disuelven en ella hasta la temperatura de fusión de las fases. Cuanto más pequeñas sean las partículas de relleno y menor sea la distancia entre ellas, más fuerte será el CM. A diferencia de los fibrosos, en los CM reforzados por dispersión el principal elemento de carga es la matriz. Un conjunto de partículas de relleno dispersas fortalece el material al resistir el movimiento de las dislocaciones bajo carga, lo que dificulta la deformación plástica. Se crea una resistencia efectiva al movimiento de las dislocaciones hasta la temperatura de fusión de la matriz, por lo que los CM reforzados por dispersión se distinguen por una alta resistencia al calor y a la fluencia.
El refuerzo en materiales compuestos fibrosos puede ser fibras de diversas formas: hilos, cintas, mallas de diferentes tejidos. El refuerzo de CM fibroso se puede realizar según un esquema uniaxial, biaxial y triaxial (Fig. 28.3, A).
La resistencia y rigidez de dichos materiales está determinada por las propiedades de las fibras de refuerzo que soportan la carga principal. El refuerzo proporciona un mayor aumento de resistencia, pero el refuerzo por dispersión es tecnológicamente más fácil de implementar.
Materiales compuestos en capas (Fig. 28.3, b) se componen de capas alternas de material de relleno y matriz (tipo "sándwich"). Las capas de relleno en dichos CM pueden tener diferentes orientaciones. Es posible utilizar alternativamente capas de masilla de diferentes materiales con diferentes propiedades mecánicas. Para composiciones en capas, se suelen utilizar materiales no metálicos.
Arroz. 28.3. Esquemas de refuerzo de fibra ( A) y en capas ( b) materiales compuestos
MATERIALES COMPUESTOS RESTROENADOS DISPERSOS
Durante el fortalecimiento por dispersión, las partículas bloquean los procesos de deslizamiento en la matriz. La efectividad del endurecimiento, sujeto a una interacción mínima con la matriz, depende del tipo de partículas, su concentración en volumen, así como de la uniformidad de distribución en la matriz. Se utilizan partículas dispersas de fases refractarias como Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC, que tienen baja densidad y alto módulo elástico. Los CM se suelen producir mediante pulvimetalurgia, cuya ventaja importante es la isotropía de las propiedades en diferentes direcciones.
En la industria, los CM reforzados por dispersión se utilizan generalmente sobre bases de aluminio y, con menos frecuencia, de níquel. Representantes típicos de este tipo de materiales compuestos son materiales como SAP (polvo de aluminio sinterizado), que consisten en una matriz de aluminio reforzada con partículas dispersas de óxido de aluminio. El polvo de aluminio se obtiene pulverizando metal fundido y luego moliéndolo en molinos de bolas hasta un tamaño de aproximadamente 1 micrón en presencia de oxígeno. A medida que aumenta el tiempo de molienda, el polvo se vuelve más fino y aumenta su contenido de óxido de aluminio. Otras tecnologías para la producción de productos y productos semiacabados de SAP incluyen el prensado en frío, la presinterización, el prensado en caliente, el laminado o la extrusión de una pieza en bruto de aluminio sinterizado en forma de productos terminados que pueden someterse a un tratamiento térmico adicional.
Las aleaciones del tipo SAP se deforman satisfactoriamente en estado caliente y las aleaciones con entre un 6% y un 9% de Al 2 O 3, incluso a temperatura ambiente. A partir de ellos, mediante estirado en frío se pueden producir láminas de hasta 0,03 mm de espesor. Estos materiales son fáciles de cortar y tienen una alta resistencia a la corrosión.
Los grados de SAP utilizados en Rusia contienen entre un 6% y un 23% de Al 2 O 3 . Hay SAP-1 con un contenido de 6 a 9, SAP-2 con 9 a 13, SAP-3 con 13 a 18% de Al 2 O 3. A medida que aumenta la concentración volumétrica de óxido de aluminio, aumenta la resistencia de los materiales compuestos. A temperatura ambiente, las características de resistencia de SAP-1 son las siguientes: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 son los siguientes: σ in = 420 MPa, σ 0,2 = 340 MPa.
Materiales como SAP tienen una alta resistencia al calor y son superiores a todas las aleaciones de aluminio forjado. Incluso a una temperatura de 500 °C su σ es de al menos 60-110 MPa. La resistencia al calor se explica por el efecto inhibidor de las partículas dispersas sobre el proceso de recristalización. Las características de resistencia de las aleaciones tipo SAP son muy estables. Las pruebas de resistencia a largo plazo de las aleaciones tipo SAP-3 durante 2 años prácticamente no tuvieron ningún efecto sobre el nivel de propiedades tanto a temperatura ambiente como cuando se calentaron a 500 °C. A 400 °C, la resistencia del SAP es 5 veces mayor que la resistencia de las aleaciones de aluminio envejecidas.
Las aleaciones del tipo SAP se utilizan en la ingeniería aeronáutica para la fabricación de piezas con alta resistencia específica y resistencia a la corrosión, que funcionan a temperaturas de hasta 300-500 °C. Se utilizan para fabricar vástagos de pistones, palas de compresores, carcasas de elementos combustibles y tubos de intercambiadores de calor.
CM se produce mediante pulvimetalurgia utilizando partículas dispersas de carburo de silicio SiC. El compuesto químico SiC tiene una serie de propiedades positivas: alto punto de fusión (más de 2650 °C), alta resistencia (aproximadamente 2000 MPa) y módulo elástico (> 450 GPa), baja densidad (3200 kg/m3) y buena resistencia a la corrosión. . La producción de polvos de silicio abrasivos ya está dominada por la industria.
Los polvos de aleación de aluminio y SiC se mezclan, se precompactan a baja presión y luego se prensan en caliente en recipientes de acero al vacío a la temperatura de fusión de la aleación matriz, es decir, en estado sólido-líquido. La pieza resultante se somete a una deformación secundaria para obtener productos semiacabados de la forma y tamaño requeridos: chapas, varillas, perfiles, etc.