Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

могут быть повышены в несколько раз по сравнению со скоростями обработки инструментом из твердых сплавов.

При создании авиационных двигателей нового поколения для снижения веса, уменьшения расхода топлива и уменьшения вредных выбросов используются легкие и очень стойкие огнеупорные материалы – керамические композиты.

Керамические композиционные материалы, армированные непрерывными волокнами, могут найти применение при изготовлении теплообменников, жаростойких труб, сопел различного назначения. Такие материалы на основе карбида кремния сохраняют высокие механические свойства при температурах до 1250 °С.

Керамические композитные материалы широко используются в конструкции гиперзвуковых летательных аппаратов (орбитальный БПЛА X37, ракета X51A WaveRider). При полeте на высокой скорости температура поверхностей передних кромок плоскостей может достигать 2700 °С, а температура в камере сгорания прямоточного воздушнореактивного двигателя со сверхзвуковой камерой сгорания (scramjet) – 3000 °С. Для обеспечения тепловой защиты и высоких прочностных характеристик конструкции при аэродинамическом нагреве используются многослойные сэндвич-структуры Ceramic Matrix Composite/Foam Core (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Керамический матричный композит с внутренним слоем из пористой керамики

176

Основным преимуществом таких материалов по сравнению с теплозащитными плитками, используемыми в конструкции Space Shuttle или «Буран», является высокая прочность, позволяющая встроить теплозащиту в несущую конструкцию. Композитная сэндвич-панель, имеющая плотность порядка 1,06 г/cм3, обладает высокой прочностью и жесткостью. Коэффициент теплового расширения, керамического композитного материала обшивки и пористого керамического материала сердцевины подобраны таким образом, чтобы обеспечить градиент температур на наружной и внутренней поверхности сэндвич–панели около 1000 °С без расслоений и растрескивания.

В камере сгорания scramjet используются керамические композиты на основе высокотемпературной керамики. Такая керамика, состоящая из диборида циркония и карбида кремния, спекается с помощью электроискровых разрядов высокой частоты (так называемый метод Sparc Plasma Sintering). По сравнению с методом горячего изостатического прессования Sparc Plasma Sintering позволяет получить более плотную структуру.

Рис. 5.16. Характеристика керамического композиционного материала SiC-SiC (ВМК-3)

Во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ) разработан керамический композиционный материал на основе SiC-SiC (ВМК-3), предназначенный для изготовления теплонагруженных узлов

177

и деталей конструкционного назначения с рабочей температурой до 1550 °С в окислительной среде. Обладает низкой удельной массой (в 2–3 раза легче сталей), повышенной эрозионной, химической и коррозионной стойкостью в агрессивных средах; при эксплуатационных температурах обладает эффектом самозалечивания микродефектов и восстановления до 100 % исходных механических характеристик. Отличительной особенностью керамического композиционного материала SiC-SiC (ВМК-3) является сверхвысокая стойкость при термоциклических нагрузках в продуктах сгорания топлива: 1550–800 °С более 7000 циклов (1 цикл – 1 мин) без разрушения (рис. 5.16).

5.2. Углерод-углеродные композиционные материалы

Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) – одни из наиболее известных современных композитов. Одинаковая природа и близкие физико-химические свойства обеспечивают прочную связь волокон с матрицей и уникальные свойства этим КМ. Материалы этого типа часто считают самыми перспективными для изготовления конструкций, работающих при высоких температурах. Они используются для изготовления носовых обтекателей ракет, сопловых блоков, лопаток турбин, деталей тормозных устройств самолетов, высокотемпературных подшипников ядерныхсиловыхустановок, других важных деталей.

УУКМ состоят из углеродной (графитовой) матрицы, упрочненной углеродным (графитовым) волокном. Углеродные волокна используются не только как упрочняющие элементы, они препятствуют распространению трещин. Основные достоинства УУКМ, определяющие их широкое применение, заключаются в высокой прочности, малой плотности, высокой теплостойкости, стойкости к тепловому удару и облучению. В кислой среде углеродные материалы сохраняют работоспособность до 773 К, в инертной среде и в вакууме – до 3273 К. Они способны выдерживать перепад температур, достигающий 1000 К/см. В зависимости от структуры предел прочности на растяжение углеродуглеродных композитов изменяется в диапазоне 100...1000 МПа. Механические свойства УУКМ в большей степени зависят от схемы армирования. Наиболее предпочтительные является многоосное армирование, при котором армирующие волокна расположены в трех и более направлениях.

178

Уникальной особенностью углерод-углеродных КМ является увеличение прочности в 1,5–2,0 раза и модуля упругости при повышении температуры. К их недостаткам относят склонность к окислению при нагреве до температур выше 500 °С в окислительной среде. В инертной среде и вакууме изделия изуглерод-углеродных КМ работают до 3000 °С.

5.2.1. Углеродные волокна

Уникальным видом упрочняющих элементов являются углеродные волокна (УВ). Композиционные материалы, матрица которых армирована УВ, в настоящее время применяются в машиностроении, авиастроении, космической технике и ряде других областей.

Хотя первые УВ были получены в конце ХIХ века, основной интерес к ним проявился 60-е гг. ХХ в. Объем применения УВ при изготовлении КМ постоянно возрастает, что объясняется высоким уровнем их механических свойств, которые перекрывают широкий диапазон значений модуля (200–700 ГПа) и прочности (2000–4000 МПа). УВ имеют высокую теплостойкость, они разнообразны по электрофизическим свойствам (от полупроводников до проводников с проводимостью, характерной для металлов) и могут иметь сильно развитую поверхность (1000–2000 м2/г). Они отличаются высокой жаропрочностью до 2500 °С

винертной среде, но требуют специальной защиты от окисления для работы на воздухе при температурах выше 400 °С.

Широкий спектр существующих типов углеродных волокон позволяет получать материалы с уникальным набором теплофизических, химических, механических характеристик в сочетании с возможностью управления анизотропией перечисленных свойств. Каждый тип волокна обладает индивидуальными свойствами, влияющими на технологические параметры изготовления композита.

Классификация углеродных волокон. В зависимости от условий об-

работки углеродные волокна делятся на частично карбонизованные, карбонизованные и графитированные. Температура термической обработки частично карбонизованных волокон составляет до 500 °С, содержание углерода до 90 мас.%. У карбонизованных волокон температура термической обработки составляет 900...1500 °С, содержание углерода

вних 91...98 мас.%. Температура термической обработки графитированных выше 1500 °С и достигает 3000 °С. Углерода в них содержится более 99 %.

179

Для проведения графитизации, как правило, используют карбонизованные волокна. Карбонизация и графитизация проводятся в вакууме, различных контролируемых средах (метан, азот, аргон и др.), а также в угольной, коксовой и графитовой засыпках.

По уровню механических характеристик УВ подразделяются на высокопрочные, низкомодульные и высокомодульные волокна (табл. 5.9). Механические и физико-химические свойства УВ в большой степени зависят от типа исходного сырья и технологии их изготовления.

Таблица 5.9

Классификация углеродных волокон, основанная на физико-механических свойствах

5.2.2. Изготовление углеродных волокон

Производство углеродных волокон основано на термической деструкции органических полимеров в инертной среде. Во время разложения полимеров образуются летучие продукты, и остается твердый коксовый остаток. Преобразование органических волокон в углеродные волокна связано с протеканием сложных реакций, кардинальным изменением структуры при сохранении элементов первоначального полимерного скелета. Структура исходных волокон – линейно-кристалли- ческие образования (фибриллы), ориентированные по оси волокна. Диаметр фибрилл из вискозы составляет 300–500 Å, из полиакрилонит-

рила – 73–150 Å.

Для получения УВ используют только волокнистые полимеры, которые должны отвечать ряду требований:

•исходные волокна должны сохраняться как единое целое на всех стадиях производства УВ;

•они не должны образовывать «расплава» ни на одной из стадий производства;

180