Особенности технологии изготовления композиционных материалов

Получение композиционного материала — процесс соединения матрицы и упрочняющей фазы. Для этого используются как традиционные технологии (например, порошковая металлургия), так и специфические, применяемые только для изготовления композитов.

В процессе соединения матрицы и волокна возможно получение не только полуфабриката (прутка, трубы), но и заготовки, приближенной по форме и размерам к детали, а также готовой детали.

Дисперсно-упрочненные композиты

Получают порошковой металлургией. После смешивания порошки металла матрицы и дисперсной упрочняющей фазы прессуют и спекают. Такая технология позволяет получить заготовки или детали сложной формы, используя пресс-формы разной конфигурации.

Волокнистые композиты

При их изготовлении используются различные технологии в зависимости от материалов матрицы, а также материала и вида армирующего компонента.

Композиты с полимерной матрицей изготавливаются методами прессования и намотки.

Методом прессования получают детали разнообразной формы и размеров — с массой от нескольких граммов до 100 кг и толщиной стенки от 0,5 до 100 мм и более. Формообразование осуществляется в пресс-формах. Армирующий компонент пропитывают связующим полимером и осуществляют формование при повышенных температурах (выше температуры текучести Г, см. 12.1.1).

Изготовление композитов не требует высоких температур и давлений (например, для стеклопластиков на основе эпоксидного связующего давление прессования составляет 2,5…5 МПа; температура прессования — около 100 °С). После охлаждения композиты на основе термопластов приобретают окончательные свойства, реактопласты дополнительно подвергают отверждению.

Намоткой изготавливают армированные оболочки. При этом методе лента, образованная системой нитей или сформированная из ткани, пропитывается полимерным связующим и подается (наматывается) на вращающуюся оправку, конфигурация которой соответствует внутренней поверхности изготавливаемой детали (рис. 13.4).

Создание композитов с углеродной матрицей осуществляется методами карбонизации и осаждения матричного углерода из газовой фазы. При необходимости получения материала для работы при весьма высоких температурах (свыше 2000 °С) проводится графитизация (см. 12.2.2).

Технология изготовления композитов с металлической матрицей, как правило, состоит из двух стадий. На первой получают полуфабрикаты, это волокна с покрытием матричным металлом, предварительно пропитанные жгуты, сетки и др.

Рис. 13.4. Схема спирально-винтовой намотки.

(В — ширина ленты композиционного материала; s — шаг намотки) Ленточный полуфабрикат может производиться методом плазменного напыления, при этом металл матрицы наносится на волокна, уложенные определенным образом.

Полуфабрикаты типа жгутов производятся путем протягивания волокон жгута через расплавленный металл, а также методом непрерывного литья с синхронным протягиванием армирующего жгута через тигель с расплавом матричного металла.

Для изготовления полуфабрикатов малых размеров или изделий определенной конфигурации используют метод пропитки. Расплав матричного металла заливают в форму, внутрь которой предварительно помещен каркас из волокон. Каркас может быть связан летучим связующим (например, воском, который удаляется при заливке в форму матричного металла).

На следующей стадии эти элементы компактируют (соединяют) с помощью сварки, горячего прессования и т. д., получая многослойные полосы, ленты, трубы, прутки (рис. 13.5). При изготовлении деталей полученные заготовки подвергают обработке традиционными методами (резанием, сваркой и т. п.) для придания необходимой формы.

В некоторых случаях процессы компактирования и формообразования могут быть совмещены.

Рис. 13.5. Композиты с металлической матрицей:

а — моноволокно; б — жгут.