Bahan komposit dengan matriks logam. Untuk beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, matriks logam digunakan.
CM logam memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan CM polimer. Selain suhu pengoperasian yang lebih tinggi, bahan ini dicirikan oleh isotropi yang lebih baik dan stabilitas sifat yang lebih besar selama pengoperasian, serta ketahanan terhadap erosi yang lebih tinggi.
Plastisitas matriks logam memberikan viskositas yang dibutuhkan pada struktur. Hal ini berkontribusi pada pemerataan beban mekanis lokal dengan cepat.
Keuntungan penting CM logam adalah kemampuan manufaktur yang lebih tinggi dalam proses pembuatan, pencetakan, perlakuan panas, dan pembentukan sambungan dan pelapis.
Keunggulan material komposit berbahan dasar logam adalah nilai karakteristiknya yang lebih tinggi tergantung pada sifat matriksnya. Pertama-tama, ketahanan sementara dan modulus elastisitas tarik dalam arah tegak lurus terhadap sumbu serat penguat, kuat tekan dan tekuk, keuletan, dan ketangguhan patah. Selain itu, material komposit matriks logam mempertahankan sifatnya karakteristik kekuatan terhadap suhu yang lebih tinggi dibandingkan bahan dengan dasar non-logam. Mereka lebih tahan lembab, tidak mudah terbakar, dan memiliki konduktivitas listrik.Konduktivitas listrik yang tinggi dari CM logam melindungi mereka dengan baik dari radiasi elektromagnetik, petir, dan mengurangi bahaya listrik statis. Konduktivitas termal yang tinggi dari CM logam melindungi terhadap panas berlebih lokal, yang sangat penting untuk produk seperti ujung roket dan tepi depan sayap.
Material yang paling menjanjikan untuk matriks material komposit logam adalah logam dengan densitas rendah (A1, Mg, Ti) dan paduan berdasarkan padanya, serta nikel, yang saat ini banyak digunakan sebagai komponen utama paduan tahan panas.
Komposit diperoleh dengan metode yang berbeda. Ini termasuk impregnasi seikat serat dengan cairan lelehan aluminium dan magnesium, penyemprotan plasma, dan penggunaan metode pengepresan panas, kadang-kadang diikuti dengan hidroekstrusi atau penggulungan blanko. Saat memperkuat komposisi tipe sandwich yang terdiri dari lapisan aluminium foil dan serat bergantian dengan serat kontinu, digunakan penggulungan, pengepresan panas, pengelasan ledakan, dan pengelasan difusi. Pengecoran batang dan pipa yang diperkuat dengan serat berkekuatan tinggi diperoleh dari fase logam cair. Bundel serat terus menerus dilewatkan melalui penangas lelehan dan diresapi di bawah tekanan dengan aluminium cair atau magnesium. Saat meninggalkan bak impregnasi, serat digabungkan dan dilewatkan melalui pemintal untuk membentuk batang atau tabung. Metode ini memastikan pengisian maksimum komposit dengan serat (hingga 85%), distribusi seragam pada penampang dan kontinuitas proses.
Bahan matriks aluminium. Bahan matriks aluminium terutama diperkuat kabel baja(CAS), serat boron (BKA) dan serat karbon (VKU). Aluminium teknis (misalnya, AD1) dan paduan (AMg6, V95, D20, dll.) digunakan sebagai matriks.
Penggunaan paduan (misalnya B95) sebagai matriks, diperkuat dengan perlakuan panas (pengerasan dan penuaan), memberikan efek tambahan penguatan komposisi. Namun pada arah sumbu serat kecil, sedangkan pada arah melintang yang sifat-sifatnya ditentukan terutama oleh sifat-sifat matriks mencapai 50%.
Bahan penguat termurah, paling efektif dan terjangkau adalah kawat baja berkekuatan tinggi. Jadi, perkuatan aluminium teknis dengan kawat baja VNS9 dengan diameter 0,15 mm (σ in = 3600 MPa) meningkatkan kekuatannya sebesar 10-12 kali lipat dengan kandungan volume serat 25% dan 14-15 kali lipat dengan peningkatan kandungan menjadi 40%, setelah itu resistensi sementara masing-masing mencapai 1000-1200 dan 1450 MPa. Jika Anda menggunakan kawat dengan diameter lebih kecil untuk perkuatan, yaitu kekuatan yang lebih besar (σ in = 4200 MPa), maka ketahanan sementara material komposit akan meningkat menjadi 1750 MPa. Dengan demikian, aluminium yang diperkuat dengan kawat baja (25-40%) dalam sifat dasarnya secara signifikan melebihi paduan aluminium berkekuatan tinggi dan mencapai tingkat sifat yang sesuai dengan paduan titanium. Dalam hal ini, kepadatan komposisi berada pada kisaran 3900-4800 kg/m3.
Memperkuat aluminium dan paduannya dengan serat B, C, A1 2 O e yang lebih mahal meningkatkan biaya material komposit, tetapi pada saat yang sama beberapa sifat ditingkatkan dengan lebih efektif: misalnya, ketika diperkuat dengan serat boron, modulus elastisitas meningkat 3 -4 kali, serat karbon membantu mengurangi kepadatan. Boron sedikit melunak dengan meningkatnya suhu, sehingga komposisi yang diperkuat dengan serat boron mempertahankan kekuatan tinggi hingga 400-500 °C. Bahan yang mengandung 50 vol.% serat boron berkekuatan tinggi dan modulus tinggi (VKA-1) terus menerus telah ditemukan dalam industri aplikasi. Dalam hal modulus elastisitas dan ketahanan sementara pada kisaran suhu 20-500°C, ini melampaui semua paduan aluminium standar, termasuk paduan aluminium berkekuatan tinggi (B95), dan paduan yang dirancang khusus untuk pengoperasian pada suhu tinggi (AK4-1), yang disajikan dengan jelas pada Gambar. 13.35. Kapasitas redaman material yang tinggi memastikan ketahanan getaran pada struktur yang terbuat dari material tersebut. Massa jenis paduannya adalah 2650 kg/m 3, dan kekuatan spesifiknya adalah 45 km. Ini jauh lebih tinggi dibandingkan baja berkekuatan tinggi dan paduan titanium.
Perhitungan menunjukkan bahwa penggantian paduan B95 dengan paduan titanium dalam pembuatan tiang sayap pesawat dengan elemen penguat dari VKA-1 meningkatkan kekakuannya sebesar 45% dan memberikan penghematan berat sekitar 42%.
Komposit yang diperkuat serat karbon (CFRP) berbasis aluminium lebih murah dan lebih ringan dibandingkan komposit serat boron. Dan meskipun kekuatannya lebih rendah dari yang terakhir, mereka memiliki kekuatan spesifik yang serupa (42 km). Namun, produksi material komposit dengan penguat karbon dikaitkan dengan kesulitan teknologi yang besar karena interaksi karbon dengan matriks logam ketika dipanaskan, menyebabkan penurunan kekuatan material. Untuk menghilangkan kelemahan ini, lapisan serat karbon khusus digunakan.
Bahan dengan matriks magnesium. Bahan dengan matriks magnesium (MCM) dicirikan oleh kepadatan yang lebih rendah (1800-2200 kg/m3) dibandingkan dengan aluminium, dengan kekuatan tinggi yang kira-kira sama yaitu 1000-1200 MPa dan oleh karena itu kekuatan spesifiknya lebih tinggi. Paduan magnesium yang dapat dideformasi (MA2 dan lainnya), diperkuat dengan serat boron (50 vol.%), memiliki kekuatan spesifik > 50 km. Kompatibilitas yang baik antara magnesium dan paduannya dengan serat boron, di satu sisi, memungkinkan pembuatan suku cadang menggunakan metode impregnasi tanpa pemrosesan mekanis berikutnya, dan di sisi lain, memastikan masa pakai suku cadang yang lama pada suhu tinggi. suhu. Kekuatan spesifik bahan-bahan ini ditingkatkan dengan penggunaan paduan paduan litium ringan sebagai matriks, serta dengan penggunaan serat karbon yang lebih ringan. Namun, seperti disebutkan sebelumnya, pengenalan serat karbon mempersulit teknologi paduan yang sudah berteknologi rendah. Seperti diketahui, magnesium dan paduannya memiliki plastisitas teknologi yang rendah dan kecenderungan membentuk lapisan oksida lepas.
Bahan komposit berbasis titanium. Saat membuat material komposit berbahan dasar titanium, kesulitan muncul karena perlunya pemanasan hingga suhu tinggi. Pada suhu tinggi, matriks titanium menjadi sangat aktif; ia memperoleh kemampuan untuk menyerap gas dan berinteraksi dengan banyak bahan penguat: boron, silikon karbida, aluminium oksida, dll. Akibatnya, zona reaksi terbentuk dan kekuatan serat itu sendiri dan material komposit secara keseluruhan berkurang. Selain itu, suhu tinggi menyebabkan rekristalisasi dan pelunakan banyak bahan penguat, sehingga mengurangi efek penguatan dari tulangan. Oleh karena itu, untuk memperkuat material dengan matriks titanium, kawat yang terbuat dari berilium dan serat keramik oksida tahan api (Al 2 0 3), karbida (SiC), serta logam tahan api dengan modulus elastisitas tinggi dan suhu rekristalisasi tinggi (Mo, W ) digunakan. Selain itu, tujuan perkuatan terutama bukan untuk meningkatkan kekuatan spesifik yang sudah tinggi, tetapi untuk meningkatkan modulus elastisitas dan meningkatkan suhu operasi. Sifat mekanik paduan titanium VT6 (6% A1, 4% V, sisanya A1), diperkuat dengan serat Mo, Be dan SiC, disajikan dalam tabel. 13.9. Seperti yang bisa dilihat dari. Tabelnya, kekakuan spesifik meningkat paling efektif bila diperkuat dengan serat silikon karbida.
Penguatan paduan VT6 dengan kawat molibdenum membantu mempertahankan nilai modulus elastisitas yang tinggi hingga 800 "C. Nilainya pada suhu ini sesuai dengan 124 GPa, yaitu menurun sebesar 33%, sedangkan kekuatan tarik sementara menurun hingga 420 MPa, yaitu. lebih dari 3 kali.
Bahan komposit berbahan dasar nikel. CM tahan panas dibuat berdasarkan paduan nikel dan kobalt, diperkuat dengan keramik (SiC, Si 3 Ni 4, Al 2 O 3) dan serat karbon. Tugas utama dalam pembuatan material komposit berbasis nikel (NBC) adalah meningkatkan suhu pengoperasian di atas 1000 °C. Dan salah satu penguat logam terbaik yang dapat memberikan kekuatan yang baik pada suhu setinggi itu adalah kawat tungsten. Pengenalan kawat tungsten dalam jumlah 40 hingga 70 vol.% ke dalam paduan nikel-kromium memberikan kekuatan pada 1100°C selama 100 jam, masing-masing, 130 dan 250 MPa, sedangkan paduan nikel tanpa perkuatan terbaik, dirancang untuk pekerjaan serupa kondisinya, memiliki kekuatan 75 MPa. Penggunaan kawat yang terbuat dari paduan tungsten dengan renium atau hafnium untuk penguatan meningkatkan angka ini sebesar 30-50%.
Material komposit digunakan di banyak industri dan terutama dalam teknologi penerbangan, roket, dan luar angkasa, di mana pengurangan berat struktur sekaligus meningkatkan kekuatan dan kekakuan sangatlah penting. Karena karakteristik kekuatan dan kekakuan spesifiknya yang tinggi, bahan ini digunakan dalam pembuatan, misalnya, stabilisator horizontal dan penutup pesawat, bilah rotor dan wadah helikopter, badan dan ruang bakar mesin jet, dll. Penggunaan material komposit dalam struktur pesawat telah mengurangi bobotnya sebesar 30-40%, meningkatkan muatan tanpa mengurangi kecepatan dan jangkauan.
Saat ini, material komposit digunakan dalam konstruksi turbin tenaga (kerja turbin dan bilah nosel), industri otomotif (badan mobil dan lemari es, suku cadang mesin), teknik mesin (badan dan suku cadang mesin), industri kimia (otoklaf, tangki, wadah), pembuatan kapal (lambung kapal, perahu, baling-baling), dll.
Sifat khusus material komposit memungkinkan untuk digunakan sebagai bahan isolasi listrik (serat organik), fairing radio-transparan (fiberglass), bantalan biasa (serat karbon) dan bagian lainnya.
Bahan komposit dengan matriks keramik. Untuk suhu operasi tertinggi, keramik digunakan sebagai bahan matriks. Bahan silikat (SiO 2), aluminosilikat (Al 2 O 3 - SiO 2), aluminoborosilikat (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2), aluminium oksida tahan api (Al 2 O 3), zirkonium digunakan sebagai matriks keramik (ZrO 2), berilium (BeO), silikon nitrida (Si 3 N 4), titanium borida (TiB 2) dan zirkonium (ZrB 2), silikon karbida (SiC) dan titanium (TiC). Komposit dengan matriks keramik memiliki titik leleh yang tinggi, ketahanan terhadap oksidasi, guncangan dan getaran termal, serta kuat tekan. CM keramik berbahan dasar karbida dan oksida dengan aditif serbuk logam (< 50об. %) называются sermet . Selain bubuk, kawat logam yang terbuat dari tungsten, molibdenum, niobium, baja tahan panas, serta serat non-logam (keramik dan karbon) digunakan untuk memperkuat CM keramik. Penggunaan kawat logam menciptakan bingkai plastik yang melindungi CM dari kerusakan ketika matriks keramik yang rapuh retak. Kerugian dari CM keramik yang diperkuat dengan serat logam adalah ketahanan panasnya yang rendah. CM dengan matriks oksida tahan api (dapat digunakan hingga 1000°C), borida dan nitrida (hingga 2000°C), dan karbida (lebih dari 2000°C) memiliki ketahanan panas yang tinggi. Ketika CM keramik diperkuat dengan serat silikon karbida, kekuatan ikatan yang tinggi antara CM dan matriks tercapai, dikombinasikan dengan ketahanan terhadap oksidasi pada suhu tinggi, yang memungkinkannya digunakan untuk pembuatan komponen dengan beban berat (suhu tinggi). bantalan, segel, bilah kerja mesin turbin gas, dll.). Kerugian utama keramik - kurangnya keuletan - sampai batas tertentu diimbangi dengan memperkuat serat yang menghambat penyebaran retakan pada keramik.
Komposit karbon-karbon . Penggunaan karbon amorf sebagai bahan matriks, dan serat karbon kristal (grafit) sebagai bahan penguat, memungkinkan terciptanya komposit yang mampu menahan pemanasan hingga 2500 °C. Komposit karbon-karbon semacam itu menjanjikan untuk penerbangan astronotika dan transatmosfer. Kerugian dari matriks karbon adalah kemungkinan oksidasi dan ablasi. Untuk mencegah fenomena tersebut, komposit dilapisi dengan lapisan tipis silikon karbida.
Matriks karbon, yang sifat fisik dan kimianya mirip dengan serat karbon, memastikan stabilitas termal CCCM
Metode yang paling banyak digunakan untuk memproduksi komposit karbon-karbon adalah:
1. karbonisasi matriks polimer dari preform serat karbon yang telah dibentuk sebelumnya dengan perlakuan panas suhu tinggi di lingkungan non-oksidasi;
2. pengendapan dari fase gas karbon pirolitik, terbentuk selama dekomposisi termal hidrokarbon di pori-pori substrat serat karbon.
Kedua metode ini mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-masing. Saat membuat UKCM mereka sering digabungkan untuk memberikan komposit sifat-sifat yang diperlukan.
Karbonisasi matriks polimer. Proses karbonisasi adalah perlakuan panas produk serat karbon hingga suhu 1073 K dalam lingkungan non-oksidasi (gas inert, lapisan batubara, dll.). Tujuan dari perlakuan panas adalah untuk mengubah bahan pengikat menjadi kokas. Selama proses karbonisasi, terjadi penghancuran termal pada matriks, disertai dengan hilangnya massa, penyusutan, pembentukan pori-pori dalam jumlah besar dan, sebagai akibatnya, penurunan sifat fisik dan mekanik komposit.
Karbonisasi paling sering dilakukan di tungku retort resistansi. Retort yang terbuat dari paduan tahan panas melindungi produk dari oksidasi oleh oksigen atmosfer, dan elemen pemanas serta insulasi dari kontak dengan produk korosif yang mudah menguap dari pirolisis pengikat dan memastikan pemanasan seragam pada volume reaksi tungku.
Mekanisme dan kinetika karbonisasi ditentukan oleh rasio laju disosiasi ikatan kimia dan rekombinasi radikal yang dihasilkan. Proses ini disertai dengan penghilangan senyawa resin dan produk gas yang menguap serta pembentukan kokas padat, yang diperkaya dengan atom karbon. Oleh karena itu, dalam proses karbonisasi, poin kuncinya adalah pemilihan kondisi suhu dan waktu, yang harus memastikan pembentukan maksimum residu kokas dari bahan pengikat, karena kekuatan mekanik komposit karbonisasi bergantung, antara lain, pada jumlah kokas. terbentuk.
Semakin besar dimensi produk, maka proses karbonisasi harus semakin lama. Laju kenaikan suhu selama karbonisasi berkisar dari beberapa derajat hingga beberapa puluh derajat per jam, durasi proses karbonisasi adalah 300 jam atau lebih. Karbonisasi biasanya berakhir pada kisaran suhu 1073-1773 K, sesuai dengan kisaran suhu transisi karbon menjadi grafit.
Sifat CCCM sangat bergantung pada jenis pengikat awal, yaitu resin organik sintetik yang menghasilkan residu kokas yang tinggi. Paling sering, resin fenol-formaldehida digunakan untuk tujuan ini karena kemampuan manufakturnya, ketersediaan biaya rendah, dan kokas yang terbentuk dalam proses ini sangat tahan lama.
Resin fenol-formaldehida memiliki kelemahan tertentu. Karena sifat polikondensasi dari proses pengawetan dan pelepasan senyawa yang mudah menguap, sulit untuk mendapatkan struktur padat yang homogen. Besarnya penyusutan selama karbonisasi pengikat fenol-formaldehida lebih besar dibandingkan jenis pengikat lain yang digunakan dalam produksi CCCM, yang menyebabkan terjadinya tekanan internal pada komposit karbonisasi dan penurunan sifat fisik dan mekaniknya.
Pengikat furan menghasilkan kokas yang lebih padat. Penyusutannya selama karbonisasi lebih kecil, dan kekuatan kokas lebih tinggi dibandingkan resin fenol-formaldehida. Oleh karena itu, meskipun siklus pengawetan lebih kompleks, bahan pengikat berbahan dasar furfural, furfurylidene aseton, dan furil alkohol juga digunakan dalam produksi CCCM.
Lapangan batubara dan minyak bumi sangat menjanjikan untuk memperoleh matriks karbon karena kandungan karbonnya yang tinggi (hingga 92-95%) dan jumlah kokas yang tinggi. Keuntungan pitch dibandingkan bahan pengikat lainnya adalah ketersediaan dan biaya rendah, tidak termasuk pelarut proses teknologi, grafitabilitas kokas yang baik dan kepadatannya yang tinggi. Kerugian dari pitch termasuk pembentukan porositas yang signifikan, deformasi produk, dan adanya senyawa karsinogenik dalam komposisinya, yang memerlukan tindakan keamanan tambahan.
Karena pelepasan senyawa yang mudah menguap selama degradasi termal resin, porositas yang signifikan muncul pada plastik berkarbonasi, yang mengurangi sifat fisik dan mekanik CCCM. Oleh karena itu, tahap karbonisasi serat karbon menyelesaikan proses perolehan hanya bahan berpori yang tidak memerlukan kekuatan tinggi, misalnya CCCM densitas rendah untuk keperluan isolasi termal. Biasanya, untuk menghilangkan porositas dan meningkatkan kepadatan, bahan yang dikarbonisasi diresapi lagi dengan bahan pengikat dan dikarbonisasi (siklus ini dapat diulang beberapa kali). Impregnasi berulang dilakukan dalam autoklaf dalam mode "tekanan vakum", yaitu, benda kerja pertama-tama dipanaskan dalam ruang hampa, setelah itu pengikat disuplai dan tekanan berlebih hingga 0,6-1,0 MPa dibuat. Selama impregnasi, larutan dan lelehan bahan pengikat digunakan, dan porositas komposit menurun pada setiap siklus, sehingga perlu menggunakan bahan pengikat dengan viskositas yang lebih rendah. Tingkat pemadatan selama impregnasi ulang tergantung pada jenis pengikat, jumlah kokas, porositas produk dan tingkat pengisian pori-pori. Ketika kepadatan meningkat selama impregnasi berulang, kekuatan material juga meningkat. Dengan menggunakan metode ini, CCCM dapat diperoleh dengan kepadatan hingga 1800 kg/m 3 dan lebih tinggi. Metode karbonisasi serat karbon relatif sederhana, tidak memerlukan peralatan yang rumit, dan menjamin reproduktifitas yang baik dari sifat material produk yang dihasilkan. Namun, kebutuhan akan operasi pemadatan yang berulang secara signifikan memperpanjang dan meningkatkan biaya perolehan produk dari CCCM, yang merupakan kelemahan serius dari metode ini.
Setelah UKCM diterima oleh metode pengendapan karbon pirolitik dari fase gas gas hidrokarbon (metana, benzena, asetilena, dll.) atau campuran hidrokarbon dan gas pengencer (gas inert atau hidrogen) berdifusi melalui kerangka berpori serat karbon, di mana, di bawah pengaruh suhu tinggi, dekomposisi hidrokarbon terjadi pada permukaan serat yang dipanaskan. Pirokarbon yang mengendap secara bertahap menciptakan jembatan penghubung antar serat. Kinetika pengendapan dan struktur karbon pirolitik yang dihasilkan bergantung pada banyak faktor: suhu, laju aliran gas, tekanan, volume reaksi, dll. Sifat-sifat komposit yang dihasilkan juga ditentukan oleh jenis dan kandungan serat, dan sifat-sifat komposit. skema penguatan.
Proses pengendapan dilakukan dalam ruang hampa atau di bawah tekanan dalam tungku induksi, serta dalam tungku resistensi.
Beberapa metode teknologi untuk memproduksi matriks karbon pirolitik telah dikembangkan.
Dengan metode isotermal benda kerja terletak di ruang yang dipanaskan secara seragam. Pemanasan seragam dalam tungku induksi dipastikan dengan bantuan elemen penghasil bahan bakar - susceptor yang terbuat dari grafit. Gas hidrokarbon disuplai melalui bagian bawah tungku dan berdifusi melalui volume reaksi dan benda kerja; produk reaksi berbentuk gas dikeluarkan melalui saluran keluar di tutup tungku.
Proses biasanya dilakukan pada suhu 1173-1423 K dan tekanan 130-2000 kPa. Penurunan suhu menyebabkan penurunan laju deposisi dan perpanjangan durasi proses yang berlebihan. Peningkatan suhu mempercepat pengendapan karbon pirolitik, tetapi gas tidak memiliki waktu untuk berdifusi ke dalam volume benda kerja dan terjadi pelapisan permukaan karbon pirolitik. Prosesnya memakan waktu ratusan jam.
Metode isotermal biasanya digunakan untuk pembuatan bagian berdinding tipis, karena dalam hal ini pori-pori yang terletak di dekat permukaan produk sebagian besar terisi.
Ini digunakan untuk saturasi volumetrik pori-pori dan produksi produk berdinding tebal. metode non-isotermal, yang terdiri dari menciptakan gradien suhu pada benda kerja dengan menempatkannya pada mandrel atau inti yang dipanaskan atau dengan memanaskannya secara langsung dengan arus. Gas hidrokarbon disuplai dari sisi yang mempunyai temperatur lebih rendah. Tekanan di dalam tungku biasanya sama dengan tekanan atmosfer. Akibatnya pengendapan karbon pirolitik terjadi di zona terpanas. Efek pendinginan gas yang mengalir di atas permukaan dengan kecepatan tinggi adalah cara utama untuk mencapai gradien suhu.
Peningkatan kepadatan dan konduktivitas termal komposit menyebabkan pergerakan bagian depan suhu pengendapan, yang pada akhirnya memastikan pemadatan volumetrik material dan produksi produk dengan kepadatan tinggi (1700-1800 kg/m3).
Metode isotermal untuk memproduksi CCCM dengan matriks pirokarbon memiliki keunggulan sebagai berikut: sifat reproduktifitas yang baik; kesederhanaan desain teknis; kepadatan tinggi dan kemampuan grafik yang baik dari matriks; kemampuan untuk memproses beberapa produk secara bersamaan.
Kerugiannya antara lain: tingkat deposisi yang rendah; pengendapan permukaan karbon pirolitik; pengisian pori-pori besar yang buruk.
Metode non-isotermal memiliki keuntungan sebagai berikut: tingkat deposisi yang tinggi; kemungkinan mengisi pori-pori besar; segel volumetrik produk.
Kerugiannya adalah sebagai berikut: desain perangkat keras yang rumit; hanya satu produk yang diproses; kepadatan dan kemampuan grafis matriks yang tidak mencukupi; pembentukan retakan mikro.
3.4.4. Perlakuan panas suhu tinggi (grafitisasi) CCCM. Struktur plastik berkarbonisasi dan komposit dengan matriks pirokarbon setelah pemadatan dari fase gas tidak sempurna. Jarak antar lapisan d002, yang mencirikan tingkat keteraturan matriks karbon, relatif besar - lebih dari 3,44·10 4 μm, dan ukuran kristal relatif kecil - biasanya tidak lebih dari 5·10 -3 μm, yang merupakan tipikal untuk pemesanan dua dimensi dari lapisan dasar karbon. Selain itu, selama proses produksi, tekanan internal dapat timbul di dalamnya, yang dapat menyebabkan deformasi dan distorsi struktur produk bila bahan ini digunakan pada suhu di atas suhu karbonisasi atau pengendapan karbon pirolitik. Oleh karena itu, jika perlu untuk mendapatkan bahan yang lebih stabil secara termal, bahan tersebut harus mengalami perlakuan suhu tinggi. Suhu perlakuan panas akhir ditentukan oleh kondisi operasi, tetapi dibatasi oleh sublimasi material, yang terjadi secara intensif pada suhu di atas 3273 K. Perlakuan panas dilakukan dalam tungku induksi atau resistensi di lingkungan non-oksidasi (pengisian ulang grafit, vakum, gas inert). Perubahan sifat bahan karbon-karbon selama perlakuan panas suhu tinggi ditentukan oleh banyak faktor: jenis bahan pengisi dan matriks, suhu akhir dan durasi perlakuan panas, jenis media dan tekanannya, serta faktor lainnya. Pada suhu tinggi, hambatan energi dalam bahan karbon diatasi, mencegah pergerakan senyawa multinuklir, keterikatan dan reorientasi timbal baliknya dengan tingkat pemadatan yang lebih besar.
Durasi proses ini singkat dan tingkat konversi terutama ditentukan oleh suhu. Oleh karena itu, durasi proses perlakuan panas suhu tinggi jauh lebih singkat dibandingkan dengan karbonisasi atau pengendapan pirokarbon, dan biasanya mencapai beberapa jam. Selama perlakuan panas suhu tinggi terhadap plastik berkarbonisasi, terjadi deformasi produk yang tidak dapat diubah dan “penyembuhan” cacat secara bertahap. Untuk material yang digrafitisasi dengan baik berdasarkan pitch pada suhu di atas 2473 K, pertumbuhan intensif kristalit karbon terurut tiga dimensi diamati hingga transisi ke struktur grafit. Pada saat yang sama, dalam plastik berkarbonisasi berdasarkan pengikat polimer dengan grafit buruk, cacat struktural bertahan hingga 3273 K dan material tetap dalam bentuk struktural non-grafit.
Bahan logam komposit berserat.
Bahan logam komposit eutektik.
Bahan logam komposit dibentuk dengan sintering.
Bahan yang diperkuat dispersi pada matriks logam.
Bahan komposit pada matriks logam.
Kuliah No.2
Plastik bertulang yang dilaminasi
Textolit– bahan yang dibentuk dari lapisan kain yang diresapi dengan resin sintetis termoset.
Kepala duplikat– bahan berlapis yang terdiri dari lembaran polietilen, polipropilen dan termoplastik lainnya, dihubungkan dengan sublapisan berbahan dasar kain, karet tahan bahan kimia, bahan berserat bukan tenunan, dll.
Linolium– polimer bahan gulungan untuk lantai - adalah CPM multilayer atau berbahan dasar kain yang mengandung resin alkid, polivinil klorida, karet sintetis, dan polimer lainnya.
Dapatkaninax– plastik laminasi berbahan dasar kertas yang diresapi dengan resin sintetis termoset.
Logam-plastik– bahan struktural yang terdiri dari lembaran logam yang dilapisi pada satu atau kedua sisinya dengan lapisan polimer polietilen, fluoroplastik atau polivinil klorida.
Laminasi kayu– bahan yang diperoleh dengan pengepresan “panas” dari blanko kayu (veneer) yang diresapi dengan resin termoset sintetik.
Topik: “BAHAN KOMPOSIT PADA MATRIKS LOGAM”
Nomenklatur KMM dibagi menjadi tiga kelompok utama: 1) bahan yang diperkuat dispersi yang diperkuat dengan partikel, termasuk paduan semu yang dihasilkan oleh metalurgi serbuk; 2) bahan komposit eutektik - paduan dengan kristalisasi terarah dari struktur eutektik; 3) bahan berserat yang diperkuat dengan serat terpisah atau kontinu.
Bahan yang diperkuat dispersi
Jika partikel fase penguatan dengan ukuran 1...100 nm didistribusikan dalam matriks logam CMM, menempati 1...15% volume komposit, matriks tersebut menyerap sebagian besar beban mekanis yang diterapkan. ke CMM, dan peran partikel direduksi menjadi menciptakan resistensi yang efektif terhadap pergerakan dislokasi dalam material matriks. CMM semacam itu dicirikan oleh peningkatan stabilitas suhu, sehingga kekuatannya praktis tidak berkurang hingga suhu (0,7...0,8) T tolong di mana T pl – suhu leleh matriks. Bahan jenis ini dibagi menjadi dua kelompok: bahan sinter dan bahan semu.
Bahan yang dibentuk melalui sintering mengandung partikel oksida, karbida, nitrida dan senyawa tahan api lainnya yang terdispersi halus, serta senyawa intermetalik, yang mana Selama pembentukan CMM, mereka tidak meleleh atau larut dalam matriks. Teknologi pembentukan produk dari CMM tersebut termasuk dalam bidang metalurgi serbuk dan mencakup operasi perolehan campuran bubuk, pengepresannya ke dalam cetakan, sintering produk setengah jadi yang dihasilkan, deformasi dan perlakuan panas pada benda kerja.
Bahan matriks aluminium. CM dengan matriks aluminium yang telah ditemukan aplikasinya terutama diperkuat dengan kawat baja, boron dan serat karbon.Baik aluminium teknis (misalnya, AD1) dan paduan (B95, D20, dll.) digunakan sebagai matriks.
Baja yang dikeraskan secara dispersi mengandung oksida sebagai komponen penguat: Al 2 O 3, TiO 2, ZrO 2, dll.
KMM pada matriks kobalt mengandung thorium oksida sebagai aditif terdispersi, pada matriks magnesium– oksida sendiri.
Bahan berbahan dasar tembaga, diperkuat dengan oksida, karbida, dan nitrida, memperoleh ketahanan panas, yang dikombinasikan dengan konduktivitas listrik yang tinggi dari matriks tembaga. CMM tersebut digunakan untuk pembuatan kontak listrik, elektroda untuk pengelasan roller, peralatan untuk pemesinan percikan, dll.
KMM berbahan dasar nikel, diisi dengan thorium oksida dan hafnium oksida, dirancang untuk beroperasi pada suhu di atas 1000 o C dan digunakan dalam konstruksi pesawat terbang, teknik tenaga, dan teknologi luar angkasa.
Pseudoalloy adalah CMM yang diperkuat dispersi, terdiri dari logam dan fase mirip logam yang tidak membentuk larutan dan tidak masuk ke dalam senyawa kimia. Teknologi pembentukan paduan semu termasuk dalam bidang metalurgi serbuk. Operasi terakhir untuk memproduksi paduan semu adalah impregnasi atau sintering cetakan fase cair.
Impregnasi terdiri dari pengisian pori-pori benda kerja yang dicetak atau disinter dari komponen tahan api dengan lelehan komponen paduan semu yang memiliki titik leleh rendah. Impregnasi dilakukan dengan merendam benda kerja berpori ke dalam lelehan.
Kisaran paduan semu terutama mencakup bahan untuk tujuan triboteknik.
Pseudoalloy berbasis tungsten W – Cu dan W – Ag menggabungkan kekerasan, kekuatan, dan konduktivitas listrik yang tinggi. Mereka digunakan untuk membuat kontak listrik. Paduan semu berbahan dasar molibdenum (Mo – Cu) dan nikel (Ni – Ag), dll. memiliki tujuan yang sama.
CMM eutektik adalah paduan dengan komposisi eutektik atau serupa, di mana fase penguatnya berorientasi pada kristal berserat atau pipih yang terbentuk selama kristalisasi terarah matriks logam.
Teknologi untuk membentuk CMM eutektik adalah sampel ditarik keluar dari lelehan dengan kecepatan konstan, sehingga sampel mengalami pendinginan terus menerus. Bentuk bagian depan kristalisasi tergantung pada kecepatan penarikan dan kondisi pertukaran panas, yang diatur oleh elemen struktural alat kristalisasi.
Bahan berserat juga. Teknologi pembentukan CMM berserat meliputi metode pengepresan, penggulungan, penarikan bersama, ekstrusi, pengelasan, penyemprotan atau pengendapan, serta impregnasi.
Pengepresan “panas” (pengepresan dengan pemanasan) menghasilkan CMM, bahan matriks awalnya berupa bubuk, foil, pita perekat, lembaran dan produk setengah jadi logam lainnya. Elemen-elemen tersebut dan penguatnya (kawat, keramik, karbon atau serat lainnya) ditempatkan dalam urutan tertentu pada pelat tekan atau cetakan dan kemudian ditekan ketika dipanaskan di udara atau dalam atmosfer inert.
Komponen yang sama diproses dengan cara digulung seperti halnya dengan pengepresan.
Cara menggambar sambungannya adalah sebagai berikut. Lubang dibor di benda kerja logam matriks di mana batang atau kawat penguat dimasukkan. Benda kerja dipanaskan, dikompresi, dan ditarik, yang diakhiri dengan anil.
Metode ekstrusi menghasilkan produk berupa batang atau pipa yang diperkuat dengan serat kontinu dan diskrit. Bahan awal matriks adalah serbuk logam,
Kisaran CMM berserat mencakup banyak bahan pada matriks yang terbuat dari aluminium, magnesium, titanium, tembaga, nikel, kobalt, dll.
Jenis material komposit ini termasuk material seperti SAP (sintered aluminium powder), yaitu aluminium yang diperkuat dengan partikel aluminium oksida yang tersebar. Serbuk aluminium diperoleh dengan menyemprotkan logam cair, diikuti dengan penggilingan di ball mill hingga ukuran sekitar 1 mikron dengan adanya oksigen. Dengan bertambahnya waktu penggilingan, bubuk menjadi lebih halus dan kandungan aluminium oksidanya meningkat. Teknologi lebih lanjut untuk produksi produk dan produk setengah jadi dari SAP mencakup pengepresan dingin, pra-sintering, pengepresan panas, penggulungan atau ekstrusi billet aluminium yang disinter dalam bentuk produk jadi yang dapat dikenakan perlakuan panas tambahan.
Paduan tipe SAP digunakan dalam teknologi penerbangan untuk pembuatan suku cadang dengan kekuatan spesifik tinggi dan ketahanan terhadap korosi, beroperasi pada suhu hingga 300–500 °C. Mereka digunakan untuk membuat batang piston, bilah kompresor, cangkang elemen bahan bakar dan pipa penukar panas.
Penguatan aluminium dan paduannya dengan kawat baja meningkatkan kekuatannya, meningkatkan modulus elastisitas, ketahanan lelah, dan memperluas kisaran suhu masa pakai material.
Penguatan dengan serat pendek dilakukan dengan menggunakan metode metalurgi serbuk, yang terdiri dari pengepresan dilanjutkan dengan hidroekstrusi atau penggulungan blanko. Saat memperkuat komposisi tipe sandwich yang terdiri dari lapisan aluminium foil dan serat bergantian dengan serat kontinu, digunakan penggulungan, pengepresan panas, pengelasan ledakan, dan pengelasan difusi.
Bahan yang sangat menjanjikan adalah komposisi “kawat aluminium-berilium”, yang mewujudkan sifat fisik dan mekanik yang tinggi dari penguat berilium, dan yang pertama, kepadatannya yang rendah dan kekakuan spesifiknya yang tinggi. Komposisi dengan kawat berilium diperoleh dengan pengelasan difusi paket lapisan kawat berilium dan lembaran matriks yang berselang-seling. Paduan aluminium yang diperkuat dengan kabel baja dan berilium digunakan untuk membuat bagian badan roket dan tangki bahan bakar.
Pada komposisi serat aluminium-karbon, kombinasi tulangan dan matriks kepadatan rendah memungkinkan terciptanya material komposit dengan kekuatan dan kekakuan spesifik yang tinggi. Kerugian Fiber Karbon adalah kerapuhan dan reaktivitasnya yang tinggi. Komposisi aluminium-karbon diperoleh dengan menghamili serat karbon dengan metode logam cair atau metalurgi serbuk. Secara teknologi, cara termudah untuk melakukannya adalah dengan menarik kumpulan serat karbon melalui aluminium cair.
Komposit aluminium-karbon digunakan dalam konstruksi tangki bahan bakar pesawat tempur modern. Karena kekuatan spesifik dan kekakuan material yang tinggi, bobot tangki bahan bakar berkurang
tiga puluh%. Bahan ini juga digunakan untuk pembuatan bilah turbin mesin turbin gas pesawat terbang.
KARAKTERISTIK DAN KLASIFIKASI UMUM
Bahan logam dan non-logam yang digunakan secara tradisional sebagian besar telah mencapai batas kekuatan strukturalnya. Pada saat yang sama, perkembangan teknologi modern membutuhkan penciptaan bahan yang dapat bekerja dengan andal dalam kombinasi kompleks medan gaya dan suhu saat terkena tekanan. lingkungan yang agresif, radiasi, vakum dalam dan tekanan tinggi. Seringkali persyaratan bahan bisa saling bertentangan. Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan material komposit.
Bahan komposit(CM) atau komposit adalah sistem heterogen tiga dimensi yang terdiri dari komponen-komponen yang saling tidak dapat larut yang sifatnya sangat berbeda, strukturnya memungkinkan seseorang untuk memanfaatkan keunggulan masing-masing komponen tersebut.
Manusia meminjam prinsip membangun CM dari alam. Bahan komposit yang khas adalah batang pohon, batang tumbuhan, tulang manusia dan hewan.
CM memungkinkan Anda memiliki kombinasi sifat heterogen tertentu: kekuatan dan kekakuan spesifik yang tinggi, ketahanan panas, ketahanan aus, sifat pelindung panas, dll. Kisaran sifat CM tidak dapat diperoleh dengan menggunakan bahan konvensional. Penggunaannya memungkinkan terciptanya desain baru yang sebelumnya tidak dapat diakses.
Berkat CM, lompatan kualitatif baru menjadi mungkin dalam meningkatkan tenaga mesin, mengurangi bobot mesin dan struktur, serta meningkatkan efisiensi bobot kendaraan dan kendaraan luar angkasa.
Karakteristik penting dari bahan yang beroperasi pada kondisi ini adalah kekuatan spesifik σ dalam /ρ dan kekakuan spesifik E/ρ, dimana σ in adalah resistansi sementara, E- modulus elastisitas normal, ρ – kepadatan bahan.
Paduan berkekuatan tinggi, pada umumnya, memiliki keuletan yang rendah, sensitivitas yang tinggi terhadap konsentrator tegangan, dan ketahanan yang relatif rendah terhadap perkembangan retak lelah. Meskipun material komposit juga memiliki keuletan yang rendah, material tersebut kurang sensitif terhadap pemicu tegangan dan lebih tahan terhadap kegagalan lelah. Hal ini dijelaskan oleh mekanisme pembentukan retakan yang berbeda pada baja dan paduan berkekuatan tinggi. Pada baja berkekuatan tinggi, retakan, setelah mencapai ukuran kritis, kemudian berkembang dengan kecepatan yang progresif.
Mekanisme berbeda berlaku pada material komposit. Sebuah retakan, yang bergerak di dalam matriks, menemui hambatan pada antarmuka serat-matriks. Serat menghambat perkembangan retakan, dan kehadirannya dalam matriks plastik menyebabkan peningkatan ketangguhan patah.
Dengan demikian, sistem komposit menggabungkan dua sifat berlawanan yang diperlukan untuk bahan struktural - kekuatan tinggi karena serat berkekuatan tinggi dan ketangguhan patah yang cukup karena matriks plastik dan mekanisme disipasi energi patah.
CM terdiri dari bahan dasar matriks yang relatif plastis dan komponen yang lebih keras dan tahan lama, yaitu bahan pengisi. Sifat CM bergantung pada sifat basa, bahan pengisi dan kekuatan ikatan antar keduanya.
Matriks mengikat komposisi menjadi monolit, memberinya bentuk dan berfungsi untuk mentransfer beban eksternal ke penguat pengisi. Tergantung pada bahan dasarnya, CM dibedakan dengan matriks logam, atau bahan komposit logam (MCM), dengan bahan komposit polimer - polimer (PCM) dan dengan bahan komposit keramik - keramik (CCM).
Peran utama dalam memperkuat CM dimainkan oleh pengisi, yang sering disebut penguat. Mereka memiliki kekuatan, kekerasan, dan modulus elastisitas yang tinggi. Berdasarkan jenis bahan pengisi penguatnya, CM dibedakan menjadi dispersi menguat,berserat Dan berlapis(Gbr. 28.2).
Beras. 28.2. Skema struktur material komposit: A) penyebaran menguat; B) berserat; V) berlapis
Partikel tahan api kecil yang terdistribusi secara merata dari karbida, oksida, nitrida, dll. dimasukkan secara artifisial ke dalam CM yang diperkuat dispersi, yang tidak berinteraksi dengan matriks dan tidak larut di dalamnya hingga suhu leleh fase. Semakin kecil partikel pengisi dan semakin kecil jarak antar partikel, semakin kuat CM. Berbeda dengan CM berserat, dalam CM yang diperkuat dispersi, elemen penahan beban utama adalah matriks. Kumpulan partikel pengisi yang terdispersi memperkuat material dengan menahan pergerakan dislokasi akibat pembebanan, yang membuat deformasi plastis menjadi lebih sulit. Resistensi efektif terhadap pergerakan dislokasi tercipta hingga suhu leleh matriks, yang menyebabkan CM yang diperkuat dispersi dibedakan oleh ketahanan panas yang tinggi dan ketahanan mulur.
Penguat pada material komposit berserat dapat berupa serat dengan berbagai bentuk: benang, pita, jaring dengan tenunan berbeda. Penguatan CM berserat dapat dilakukan menurut skema uniaksial, biaksial, dan triaksial (Gbr. 28.3, A).
Kekuatan dan kekakuan bahan tersebut ditentukan oleh sifat serat penguat yang memikul beban utama. Penguatan memberikan peningkatan kekuatan yang lebih besar, namun penguatan dispersi secara teknologi lebih mudah diterapkan.
Material komposit berlapis (Gbr. 28.3, B) terdiri dari lapisan bahan pengisi dan matriks yang berselang-seling (tipe "sandwich"). Lapisan pengisi pada CM tersebut dapat memiliki orientasi yang berbeda. Dimungkinkan untuk menggunakan lapisan pengisi secara bergantian yang terbuat dari bahan berbeda dengan sifat mekanik berbeda. Untuk komposisi berlapis biasanya digunakan bahan nonlogam.
Beras. 28.3. Skema penguatan serat ( A) dan berlapis ( B) bahan komposit
BAHAN KOMPOSIT YANG DISPERSE-RESTROENED
Selama penguatan dispersi, partikel menghalangi proses geser dalam matriks. Efektivitas pengerasan, dengan interaksi minimal dengan matriks, bergantung pada jenis partikel, konsentrasi volumenya, dan keseragaman distribusi dalam matriks. Partikel fase tahan api yang terdispersi seperti Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC, yang memiliki kepadatan rendah dan modulus elastisitas tinggi, digunakan. CM biasanya diproduksi dengan metalurgi serbuk, keuntungan penting di antaranya adalah isotropi sifat dalam arah yang berbeda.
Dalam industri, CM yang diperkuat dispersi biasanya digunakan pada bahan dasar aluminium dan, lebih jarang, pada bahan dasar nikel. Perwakilan khas dari jenis material komposit ini adalah material seperti SAP (bubuk aluminium sinter), yang terdiri dari matriks aluminium yang diperkuat oleh partikel aluminium oksida yang tersebar. Serbuk aluminium diperoleh dengan menyemprotkan logam cair, diikuti dengan penggilingan di ball mill hingga ukuran sekitar 1 mikron dengan adanya oksigen. Dengan bertambahnya waktu penggilingan, serbuk menjadi lebih halus dan kandungan aluminium oksidanya meningkat. Teknologi lebih lanjut untuk produksi produk dan produk setengah jadi dari SAP mencakup pengepresan dingin, pra-sintering, pengepresan panas, penggulungan atau ekstrusi billet aluminium yang disinter dalam bentuk produk jadi yang dapat dikenakan perlakuan panas tambahan.
Paduan tipe SAP mengalami deformasi yang memuaskan dalam keadaan panas, dan paduan dengan 6–9% Al 2 O 3 - bahkan pada suhu kamar. Dari jumlah tersebut, gambar dingin dapat digunakan untuk menghasilkan foil dengan ketebalan hingga 0,03 mm. Bahan-bahan ini mudah dipotong dan memiliki ketahanan korosi yang tinggi.
Nilai SAP yang digunakan di Rusia mengandung 6–23% Al 2 O 3 . Ada SAP-1 dengan kandungan 6–9, SAP-2 dengan 9–13, SAP-3 dengan 13–18% Al 2 O 3. Dengan meningkatnya konsentrasi volume aluminium oksida, kekuatan material komposit meningkat. Pada suhu ruangan, karakteristik kekuatan SAP-1 adalah sebagai berikut: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 adalah sebagai berikut : σ in = 420 MPa, σ 0,2 = 340 MPa.
Bahan seperti SAP memiliki ketahanan panas yang tinggi dan lebih unggul dari semua paduan aluminium tempa. Bahkan pada suhu 500 °C σ-nya setidaknya 60–110 MPa. Ketahanan panas disebabkan oleh efek penghambatan partikel terdispersi pada proses rekristalisasi. Karakteristik kekuatan paduan tipe SAP sangat stabil. Uji kekuatan jangka panjang paduan tipe SAP-3 selama 2 tahun hampir tidak berpengaruh terhadap tingkat sifat baik pada suhu kamar maupun saat dipanaskan hingga 500 °C. Pada suhu 400 °C, kekuatan SAP 5 kali lebih tinggi dibandingkan kekuatan paduan aluminium yang menua.
Paduan tipe SAP digunakan dalam teknologi penerbangan untuk pembuatan suku cadang dengan kekuatan spesifik tinggi dan ketahanan terhadap korosi, beroperasi pada suhu hingga 300–500 °C. Batang piston, bilah kompresor, cangkang elemen bahan bakar, dan pipa penukar panas dibuat darinya.
CM diproduksi menggunakan metalurgi serbuk menggunakan partikel silikon karbida SiC yang terdispersi. Senyawa kimia SiC memiliki sejumlah sifat positif: titik leleh tinggi (lebih dari 2650 °C), kekuatan tinggi (sekitar 2000 MPa) dan modulus elastisitas (> 450 GPa), kepadatan rendah (3200 kg/m3) dan ketahanan korosi yang baik. . Produksi bubuk silikon abrasif telah dikuasai oleh industri.
Paduan aluminium dan bubuk SiC dicampur, dipadatkan terlebih dahulu di bawah tekanan rendah, kemudian dipres panas dalam wadah baja dalam ruang hampa pada suhu leleh paduan matriks, yaitu dalam keadaan padat-cair. Benda kerja yang dihasilkan mengalami deformasi sekunder untuk mendapatkan produk setengah jadi dengan bentuk dan ukuran yang diperlukan: lembaran, batang, profil, dll.