Металлы, армированные углеродными волокнами

admin | УГЛЕПЛАСТИКИ | 17.11.2008

По сравнению с углепластиками, металлы, армированные углеродными волокнами, — более молодые материалы. Они обладают рядом достоинств, которые отсутствуют у углепластиков: высокой теплостойкостью (большей, чем у углепластиков), прочностью в направлении, перпендикулярном ориентации волокон, прочностью при сжатии (продольном изгибе) и другими ценными свойствами. Поэтому в настоящее время над их созданием активно работают во многих странах. Информация о новейших зарубежных достижениях в этой области по сравнению с количеством публикаций об углепластиках весьма ограниченна. Тем не менее известно, что появились различные типы металлов, армированных углеродными волокнами, и разработаны всевозможные методы их формования и переработки. Соответственно физические характеристики таких материалов также различны. Первостепенным является вопрос, какими свойствами должны обладать углеродные волокна, предназначенные для армирования металлов. В данной главе кратко освещается состояние работ в области создания армированных углеродными волокнами металлов и рассматриваются перспективы их дальнейшего совершенствования и применения.

Формование и переработка металлокомпозитов, армированных углеродными волокнами

Согласно схеме технологического процесса производства металлов, армированных волокнами, по мере надобности для улучшения смачиваемости волокон металлом и адгезии с ним, а также для регулирования реакционной способности поверхности волокон на них наносят покрытие или осуществляют другую предварительную обработку волокон. Затем формируют полуфабрикаты или так называемые исходные элементы металлокомпозитов. Полученные полуфабрикаты разрезают в соответствии с требуемыми размером и формой, складывают, ориентируя их в нужном для данной конструкции направлении, и затем осуществляют формование. После этого проводят окончательную обработку изделия — склеивание отдельных частей, механическую обработку и т. д.
Исследована возможность применения в качестве матрицы различных металлов: алюминия, магния, меди, никеля, кобальта и многих других. Наиболее эффективными для применения на практике оказались алюминий, магний и другие легкие металлы. Углеродные волокна, как известно, обладают высокими триботехническими характеристиками; при изготовлении композитов на основе углеродных волокон, применяемых в производстве подшипников, в качестве металлической матрицы используют главным образом медь. Остановимся подробнее на вопросах получения полуфабрикатов и формования металлокомпозитов, армированных углеродными волокнами, на основе наиболее широко применяемого для этих целей металла — алюминия.

Методы получения полуфабрикатов

Существуют методы литья, порошковой металлургии и другие методы, в которых формование готовых изделий осуществляют непосредственно, минуя стадию получения полуфабриката. Однако при использовании армированных металлов открывается возможность изготовления изделий с заданными анизотропными свойствами. Поэтому необходимым становится этап производства полуфабрикатов. В настоящее время известен ряд методов промышленного производства полуфабрикатов алюминия, армированного углеродными волокнами. Например, фирмой Material Concept inc. (США) разработан метод получения проволоки из углеродных волокон на поверхность которых алюминий или магний наносятся из расплава; фирма «Тохо бэсурон» (Япония) производит листовые материалы путем нанесения на углеродные волокна алюминия методом ионной металлизации (физического осаждения).
Пропитка в расплавленном металле. В этом случае предварительно проводят химическое осаждение на поверхность волокон боридов титана TiB и TiB2, а затем пропитывают пучок волокон в расплаве алюминия или другого металла и получают заготовку в виде проволоки. К
Ионная металлизация. Используя этот метод, предварительно проводят плазменное травление поверхности углеродных волокон, а затем покрывают их поверхность алюминием [2] . Физическое осаждение позволяет нанести металлическую матрицу на каждое элементарное волокно в тонком пучке волокон. Из таких пучков формируют тонкие и гибкие листовые заготовки. Обработку поверхности осуществляют при температуре ниже точки плавления алюминия. Поэтому при ионной металлизации углеродные волокна высокопрочного типа могут взаимодействовать с алюминием, сохраняя высокую прочность. Метод не требует нанесения промежуточного покрытия, регулирующего реакционную способность поверхности волокон, и позволяет непосредственно покрывать ее металлом.
Другие методы получения полуфабрикатов. Кроме указанных выше методов разрабатывается метод получения листовых полуфабрикатов путем металлизации в расплаве с предварительным наматыванием пучков углеродных волокон на цилиндр и последующим погружением его на короткое время в расплав алюминия. Для сравнительно толстых элементарных борных волокон применяют метод получения полуфабрикатов в виде «сырых» листов. Этот метод можно использовать и для углеродных волокон: волокна, намотанные на цилиндр, фиксируют на его поверхности, напыляя на них акриловую, полисульфоновую или другую смолу. В результате получается слоистая система, состоящая из волокнистых листов и листов фольги из металлической матрицы. На стадии высокотемпературного формования в вакууме фиксирующий исходное положение волокон полимер испаряется и замещается металлом.
В производстве полуфабрикатов из углеродных волокон эффективен метод электролитической металлизации. В настоящее время разрабатывается метод непрерывного нанесения никелевого или медного покрытия одинаковой толщины на каждое моноволокно, входящее в состав жгута.

Методы формования армированных углеродными волокнами металлов

Армирующие углеродные волокна являются хрупкими и не обладают способностью к пластическим деформациям. Этот фактор ограничивает выбор методов переработки металлокомпозитов. Как указывалось выше, анизотропия механических характеристик армированных углеродными волокнами материалов дает возможность получать материалы с регулируемыми свойствами. Это достигается в процессе формования готового изделия из полуфабрикатов. При использовании армированных металлов в самолетостроении часто возникает необходимость последующих технологических операций: соединения изделий из армированных металлов с деталями из других металлических материалов, частичное усиление армированными металлами элементов металлических конструкций и т. д. Однако обычная сварка армированных металлов затруднена. Поэтому необходимо прибегать к методу диффузионной сварки и другим способам соединения металлов, не требующим плавления металла. Другой путь решения этой задачи — соединять детали из металлокомпозитов с элементами из чистых металлов в процессе формования металлокомпозита.
В зависимости от геометрии и свойств полуфабрикатов, являющихся промежуточным материалом для получения армированных металлических изделий, используются различные методы формования металлов, армированных волокнами. Для армированного углеродными волокнами алюминия применяют методы горячего прессования (металлическая матрица остается в твердом состоянии), горячего вальцевания, горячей вытяжки и жидкофазного горячего прессования (металлическая матрица в процессе формования проходит стадию жидкого или жидкокристаллического состояния).
Горячее прессование. При использовании этого (наиболее распространенного) метода из заготовок в виде листов или проволоки изготавливают многослойный материал, а затем проводят формование изделия путем сжатия пакета при нагревании в вакууме или в инертной атмосфере, осуществляя тем самым диффузионную сварку металлической матрицы, входящей в состав полуфабриката. В основном таким методом формуют плоские детали, но, используя соответствующие металлические формы, способ укладки заготовок, регулируя наполнение и т. д., можно также получать изделия с криволинейной (цилиндрической и т. д.) поверхностью.

Для формования изделий из армированных металлокомпозитов необходимо:
1. Создать такую пластическую деформацию металлической матрицы, при которой разрушается оксидная пленка на поверхности алюминия.
2. Для предотвращения дефектов и повреждения волокон вести процесс деформирования полуфабриката при достаточно высокой температуре и в течение длительного времени.
3. В то же время для исключения разрушения волокон в результате реакции на границе раздела волокно -металлическая матрица стремиться проводить формование при возможно меньшей температуре и в течение короткого промежутка времени.
4. Не допускать высокотемпературного окисления материала.
Как будет показано ниже, для полуфабрикатов в виде проволоки, полученных методом пропитки, лучше использовать жидкофазное горячее прессование. Полученные методом ионной металлизации полуфабрикаты на основе высокомодульных углеродных волокон со сравнительно низкой реакционной способностью перерабатываются методом горячего прессования при температуре 833-853 К и давлении 10-20 МПа, а на основе углеродных волокон высокопрочного типа с высокой реакционной способностью — при 733 К и 80-100 МПа (указанные значения являются стандартными).
Вальцевание на горячих валках. Так как при вальцевании происходит пластическое течение металлической матрицы под действием высоких напряжений при контакте с валками, процесс формования композиционного материала можно вести с большой скоростью. В процессе горячего вальцевания ввиду кратковременности цикла переработки не требуется создания вакуума. Поэтому данный метод формования металлов, армированных волокнами, является дешевым. Изучается возможность его применения для формования изделий из армированного углеродными волокнами алюминия с использованием полуфабрикатов, полученных путем плазменной или ионной металлизации углеродных волокон
Горячая вытяжка. Этот метод разработан для производства прутков или трубчатых изделий из полуфабрикатов в форме проволоки. Процесс вытяжки следует проводить таким образом, чтобы растягивающие напряжения были направлены в основном вдоль волокон, а изгибающие напряжения были минимальными или отсутствовали. Это дает возможность существенно уменьшить повреждения волокон и дефекты на границе раздела волокно-металлическая матрица. Заготовку в виде проволоки вакуумируют в оболочке из нержавеющей стали. Вытяжку осуществляют, протягивая такую заготовку через волочильный глазок из карбида кремния, температура которого поддерживается на постоянном уровне, ниже температуры плавления металлической матрицы.
Жидкофазное горячее прессование. В главном методе формования армированных металлокомпозитов — твердофазном горячем прессовании — используется высокое давление, и поэтому этот процесс требует применения дорогостоящего оборудования. В качестве альтернативы был разработан метод жидкофазного горячего прессования, при котором давление составляет 10 МПа. Для жидкофазного горячего прессования не нужны гидравлические прессы, и этим методом можно формовать сравнительно крупногабаритные изделия, используя прессовочный мешок или другое простое оборудование.
Для алюминия, армированного углеродными волокнами, эффективный метод — формование изделий из полуфабрикатов, полученных металлизацией в расплаве, или из слоистых материалов на основе «сырых листов» и алюминиевой фольги. При жидкофазном горячем прессовании таких слоистых полуфабрикатов, заключенных в вакуумированную оболочку, жидкая металлическая матрица легко проникает в межволоконное пространство, образуя армированный металлокомпозит.
Формование изделий из полуфабрикатов в виде проволоки почти всегда проводится при температуре, обеспечивающей жидкокристаллическое состояние металлической матрицы, и при давлении 4-30 МПа.
Жидкофазное формование вызывает интенсивные реакции на границе раздела волокно — металлическая матрица. Поэтому для их регулирования необходимо наносить барьерное покрытие на волокно и строго контролировать тепловой режим процесса.

Характеристики металлов, армированных углеродными волокнами

Среди армированных углеродными волокнами металлов наиболее хорошо изучены металлокомпозиты с алюминиевой матрицей. Однако даже для этого композиционного материала не решена проблема совместимости волокон и металлической матрицы. Опубликованные до настоящего времени данные касаются в основном методов производства полуфабрикатов и методов формования изделий, которые пока нельзя признать достаточно научно обоснованными и оптимизированными.

Характеристики металлов, армированных углеродными волокнами, при растяжении

Прочность армированного углеродными волокнами алюминия в поперечном направлении ниже, чем у других материалов. В США армированный углеродными волокнами алюминий производится из полуфабрикатов в виде проволоки, полученных методом пропитки в расплаве. Прочность вдоль армирующих волокон у композиционного материала алюминий-углеродные волокна марки Т 300 (на основе полиакрилонитрила) высокая, причем на промежуточное покрытие (пленка TiB) наносится также барьерное покрытие. Если не наносить барьерного покрытия на углеродные волокна высокопрочного типа марки Т 300, которые легко вступают в химическую реакцию с алюминием, то вследствие ухудшения свойств волокон в результате поверхностных реакций прочность выпускаемых в виде проволоки полуфабрикатов
(содержание волокон Vf = 40%) снижается до 400-600 МПа (степень реализации прочности волокон в композиционном материале 30-45%).
В полуфабрикатах, изготовленных методом ионной металлизации, на основе углеродных волокон высокопрочного типа (полученных из полиакрилонитрила) степень реализации прочности волокон приближается к 80%, причем прочность материала в направлении поперек волокон также оказывается сравнительно высокой.
Степень реализации прочности волокон в полуфабрикатах составляет 80%, а после горячего прессования она уменьшается до 60% и ниже. Ухудшение прочностных свойств в процессе формования связано с реакцией на поверхности раздела углеродное волокно-металлическая матрица вследствие высокого относительного содержания образовавшегося на поверхности AI4C3. Эти данные подтверждают тот факт, что поверхностный слой TiB недостаточно хорошо защищает волокна от реакций на поверхности раздела.
В композиционных материалах на основе высокомодульных графитовых волокон марок НМ/718 и М 40/718 степень реализации прочности волокон составляет приблизительно 80%, а в композиционном материале на основе высокопрочных углеродных волокон марки НТ/718 — 25%.

Коррозионная стойкость металлов, армированных углеродными волокнами

Можно ожидать, что коррозионные свойства армированных металлов при контакте металлической матрицы с углеродными волокнами будут ухудшаться вследствие электрохимической коррозии. В работе — исследовалась стойкость алюминия, армированного углеродными волокнами, к климатическому воздействию путем выдержки его в атмосферных условиях и в морской воде. Шлифуя внешнюю поверхность исследуемых образцов, авторы работы обнажали волокна и исследовали электролитическую коррозию на границе раздела волокно-алюминиевая матрица. После выдержки в морской воде в течение одного года не наблюдалось значительного снижения прочности композиционного материала и коррозия внутри материала почти не развивалась. Однако, при наличии дефектов на границе раздела волокно-матрица вблизи поверхности алюминия, армированного углеродными волокнами, коррозия в зоне этих дефектов идет интенсивно. Поэтому при эксплуатации изделий из армированных волокнами металлов следует, по-видимому, предусматривать защиту внешней поверхности материала (плакирование) металлом, используемым в качестве матрицы (обычно плакирование осуществляют одновременно с формованием), производить окраску, металлизацию или другую обработку поверхности композиционного материала.

Применение металлов, армированных углеродными волокнами

В настоящее время композиционные материалы на основе алюминия и борных волокон применяют на практике в качестве трубчатых ферм орбитального отсека космического корабля «Спейс шаттл», в конструкциях фюзеляжей самолетов, для изготовления лопастей вентиляторов и других деталей самолетов. По сравнению с опытом использования других композиционных материалов примеров практического применения металлов, армированных углеродными волокнами, пока еще сравнительно мало. Однако последние могут оказаться весьма перспективными по следующим причинам:

1. Стоимость углеродных волокон ниже, чем борных волокон или волокон на основе карбида кремния.
2. Технология получения полуфабрикатов из углеродных волокон эффективна с точки зрения массового производства, так как опирается на уже разработанные методы нанесения металла на волокна из расплава, ионной металлизации и другие.
3. Углеродные волокна (в частности, высокомодульные пековые волокна) характеризуются хорошей совместимостью с алюминием, магнием и другими металлами. Наличие разнообразных типов углеродных волокон, выпускаемых в различных странах в промышленном масштабе, позволяет выбрать оптимальный вариант волокон для каждого конкретного случая.
4. Металлы, армированные углеродными волокнами, поддаются тем же методам механической обработки, которые используются для обычных металлических материалов.
5. При использовании в космических аппаратах композиционные материалы на основе углеродных волокон и алюминиевой или магниевой матрицы имеют, в частности, более высокую стабильность размеров при изменениях температуры, чем металлы, армированные борными волокнами.

Применение металлов, армированных углеродными волокнами, в космических аппаратах

Среди различных конструкционных материалов, которые предполагается использовать для создания искусственных спутников Земли и космических систем, одни из наиболее подходящих материалов — алюминий или магний, армированные углеродными волокнами. Материалы для искусственных спутников Земли и космических систем должны быть легкими, обладать высокой жесткостью и стабильностью размеров под действием температурного градиента и колебаний температуры. Эти характеристики можно оценить, исходя из таких основных параметров, как удельный модуль упругости, теплопроводность и коэффициент теплового расширения. Композиционные материалы на основе алюминия (и в еще большей степени магния) и высокомодульных пековых углеродных волокон марки Р 100 (модуль упругости 714 ГПа) имеют высокие значения удельного модуля упругости, высокую теплостойкость и больше подходят для создания космических конструкций, чем другие материалы. В США ведутся интенсивные работы, направленные на применение этих композиционных материалов для изготовления деталей космических аппаратов, перечисленных в табл. 7.5, и, в частности, для изготовления несущих элементов современных крупногабаритных космических солнечных панелей.

Применение металлов, армированных углеродными волокнами, в авиастроении

В настоящее время исследуется возможность применения металлов, армированных углеродными волокнами, для изготовления планеров самолетов, жестких элементов конструкций, лонжеронов, а также для снижения массы пропеллеров, лопаток компрессоров, задних кромок лопастей несущего винта вертолетов и других вращающихся деталей. Вследствие высокого удельного модуля упругости композиционного материала на основе алюминия и углеродных волокон перспективным является его использование в производстве коробок трансмиссии вертолетов, подвергающихся высоким вибрационным нагрузкам.

Применение металлов, армированных углеродными волокнами в производстве электротехнических деталей, подшипников и шестерен

Такое применение обусловлено, с одной стороны, электропроводностью и, с другой стороны, самосмазывающимися свойствами материалов на основе углеродных волокон. Введение углеродных волокон в композиционный материал уменьшает скорость износа и коэффициент трения, повышает стойкость к задирам поверхности и т. д. [16-18] . Недавно проводились испытания на скоростной износ находящегося под электрическим напряжением композиционного материала на основе углеродных волокон и сплава Си — Sn. Показано, что для уменьшения скорости износа необходимо увеличить прочность связи на границе раздела волокно-металлическая матрица. С этой целью авторы вводили в композиционный материал добавки титана. Образующийся при этом на границе раздела карбид титана повышает износостойкость материала и резко снижает скорость износа материала.
Промышленное производство металлов, армированных углеродными волокнами, еще не получило достаточного развития; в технологии их изготовления имеется много нерешенных проблем. Высокая стоимость все еще служит серьезным препятствием для внедрения этих материалов в промышленность. В связи с этим армированные углеродными волокнами металлы предполагается применять пока только в тех областях техники, в которых можно, пренебрегая стоимостью материалов, достичь большого технического эффекта. В первую очередь это относится к космическим аппаратам и самолетостроению, где особенно важно снизить вес конструкций независимо от стоимости используемых при этом материалов.