Методы получения композиционных материалов

Основные требования, предъявляемые к любому методу изготовления композиций, состоят в максимальном сохранении исходной прочности волокон, обеспечении их хорошей ориентации в матрице и создании условий для прочного соединения составляющих. Для изготовления композиционных материалов применяются различные методы, которые по состоянию матрицы можно разделить на твердофазные и жидкофазные методы осаждения.

К твердофазным методам относятся диффузионная сварка, прокатка и прессование, а также высокоскоростные методы соединения компонентов композиции (сварка взрывом и магнитно-импульсным способом). При этих процессах используется матричный материал в порошкообразном состоянии или в виде листов.

В первом случае осуществляется совместное прессование в пресс-форме порошка матрицы и распределенных в нем металлических или керамических волокон, чаще всего дискретных, а также нитевидных кристаллов. Большим недостатком метода является трудность ориентации волокон.

Повышенное содержание нитевидных кристаллов и волокон в матрице может быть достигнуто посредством ориентирования и осаждения волокон на металлической подложке, сборки слоев таких подложек в предварительную заготовку, диффузионной сварки этой заготовки до получения фольги из композиционного материала и последующего нагрева изготовленной композиции до температуры на 28°C-55°C выше точки плавления матрицы с приложением незначительного давления.

Метод горячего прессования листов матричного материала с расположенными между ними волокнами осуществляется в вакууме или на воздухе и позволяет получать изделия с хорошей ориентацией упрочняющих элементов. Для ускорения процесса изготовления композиционных материалов этим методом необходимо применять максимальные температуры, не приводящие к разупрочнению волокон. Диффузионная сварка волокон, предварительно покрытых матричным материалом, позволяет получить хорошую ориентацию лишь при использовании высокопластичиых матриц.

Прокатка поперек волокон и прессование применялись для изготовления композиций на основе алюминиевых, никелевых и титановых сплавов, упрочненных волокнами из нержавеющих сталей, бора и вольфрама. Этими методами получены композиционные материалы с равномерным распределением металлических волокон и высокими прочностными свойствами композиций.

Сварка взрывом широко применяется для соединения разнородных слоистых металлических материалов, в том числе металлов, разность температур плавления которых достигает 1000 °C. Метод экономичен и обеспечивает надежное сцепление соединяемых элементов. Сваркой взрывом получены волокнистые композиции на основе алюминиевых сплавов и меди. Основной недостаток метода состоит в том, что он не позволяет получать композиции с высокопрочными высокомодульными хрупкими волокнами.

Кратковременное воздействие ударных нагрузок с меньшими скоростями деформирования, чем при взрыве, также позволяет получать различные металлические волокнистые композиции с удовлетворительной связью между компонентами.

Метод горячего динамического прессования заключается в нагреве пакета в атмосфере с ограниченной окисляемостью, переносе его на стол ударного механизма и обжатии пакета до нужного размера за один ход инструмента. Например, порошок алюминия, титана, никеля или молибдена смешивали с волокнами сапфира, карбида кремния, бора или вольфрама, подогревали в вакуумированном контейнере и уплотняли ударной штамповкой в пресс-форме. Таким образом, были получены изделия сложной формы типа сот, крыльчатки компрессора, лопаток турбин.

Осаждение материала матрицы на волокна можно осуществить химическим или гальваническим способом. Метод позволяет получать многослойные композиции, обладающие высокой прочностью. Также может применяться плазменное или вакуумное напыление.

К жидкофазным методам изготовления композиционных материалов относятся заливка жидким металлом волокон, определенным образом распределенных в литейной форме, вакуумная пропитка, процесс получения композиционных профилей методом непрерывного литья.

Метод жидкой пропитки является наиболее удобным для получения готовых изделий из композиций, так как изготовление их из заготовок механическими способами сопряжено с определенными трудностями. При изготовлении композиций жидкой пропиткой приходится заботиться только о прочности сцепления на границе волокно-матрица. Граница между слоями матричного материала, как это имеет место в композициях, полученных твердофазными методами, в данном случае отсутствует.

Суть метода при получении композиций с волокнами небольшой длины заключается в том, что волокна укладываются в форму необходимой конфигурации, уплотняются до определенного процентного содержания в объеме формы и подвергаются пропитке в печи с инертной атмосферой или в вакууме. Пропитка происходит под действием капиллярных сил и давления столба расплавленной матрицы, помещенной сверху волокон. В системах с хорошей смачиваемостью достаточно капиллярного давления, чтобы, произошла пропитка волокон. В этом случае форму с волокнами открытым концом опускают в расплав матрицы.