Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

Пироуглерод уплотняет поверхностный слой карбонизованного углепластика, уменьшает открытую пористость. В результате такого комбинирования двух технологических процессов значительно возрастают прочностные свойства УУКМ.

Используют и другие варианты формования комбинированных матриц. Разработана технология, в соответствии с которой на первом этапе получают углеродный армирующий каркас. Для повышения его жесткости и предотвращения деформации во время пропитки жидким связующим осуществляют осаждение углерода из газовой фазы. Оптимальная толщина углеродного слоя на моноволокне составляет 0,001...0,1 нм. В результате введения операции осаждения углерода на волокно прочностные свойства композиции возрастают.

Более сложная схема получения комбинированной матрицы предусматривает осаждение пироуглерода на двух этапах изготовления УУКМ. Эта технология, обеспечивающая значительное увеличение прочностных свойств композиционного материала, используется в следующей последовательности:

–осаждение из газовой фазы тонкого слоя углерода на углеродные волокна армирующего каркаса;

–пропитка каркаса полимерным связующим;

–формообразование заготовки;

–карбонизация материала при 1273 К;

–уплотнение карбонизованной заготовки по технологии осаждения углерода из газовой фазы;

–графитизация материала при 2273 К.

Для теплоизоляции при повышенных температурах применяют УУКМ с содержанием пор от 70 до 90 %. Для получения пористых композитов используют низкомодульные УВ длиной около 2 мм, получаемые из вискозного прекурсора. Композит делают из раствора, состоящего из волокон, фенольной смолы, связующего и воды, к которым добавляют отходы уже использованных волокон. Эту смесь перешивают и заливают в форму, после чего вакуумируют для удаления воды. В результате образуются маты, волокна в которых ориентированы преимущественно перпендикулярно направлению откачки. Затем материал сушат и карбонизируют матрицу при температуре 950 °С. В заключение проводят высокотемпературную обработку для удаления летучих продуктов.

196

Свойства композита определяются главным образом концентрацией пор. Его прочность низка по сравнению с другими УУКМ.

5.2.6. Свойства углерод-углеродных композиционных материалов

Свойства УУКМ изменяются в широком диапазоне, так как определяются многими факторами: свойствами армирующего наполнителя

иприродой матрицы, степенью наполнения, взаимодействием на границе раздела наполнитель-матрица, условиями пропитки, отверждения, карбонизации, графитации, количеством циклов пропитка–карбониза- ция, условиями газофазного осаждения пироуглерода. Кроме того, необходимо учитывать геометрическое расположение волокон, влияющее на структуру матричного углерода, а следовательно, на свойства композита. В связи с этим сравнение свойств УУКМ необходимо производить с учетом состава, структуры армирования, технологии изготовления и направления вырезки образцов этих материалов из заготовок

идеталей. Плотность УУКМ в зависимости от указанных выше факторов может изменяться в пределах от 1,35 до 2,0 г/см3.

Втабл. 5.11 и 5.12 приведены свойства отечественных УУКМ со структурой 3D и 4D в сравнении с лучшими зарубежными аналогами. Каркасы этих материалов получены из стержней, сделанных из жгутов УВ. Технология заполнения матрицы таких структур жидким каменноугольным пеком включает карбонизацию под давлением до 200 МПа с последующей графитацией. Так, получены материалы «Десна Т-1», «Десна-3» и «Десна-4», в которых каркас сделан из отечественного высокопрочного волокна «Гранит-40».

Таблица 5.11

Физико-механические и теплофизические свойства материалов с трехмерной схемой армирования

197

Окончание табл. 5.11

Таблица 5.12

Физико-механические свойства материалов с четырехмерной схемой армирования

5.2.3. Области применения УУКМ

Уникальные свойства УУKM: низкая плотность, высокие удельные прочностные характеристики, стойкость к абляции, сохранение прочностных свойств при температурах до 2000–2500 °С, высокая ударная вязкость, стойкость в агрессивных средах делают эти материалы незаменимыми для жаростойких конструкций, тормозных дисков, теплозащиты возвращаемых космических аппаратов, подшипников, насосов, работающих в агрессивных средах, формующих инструментов для горячего прессования порошков тугоплавких металлов и сплавов, тиглей для плавки цветных металлов. Кроме того, УУKM перспективны для использования в медицине в качестве имплантатов для создания костей, зубных протезов и т.д. (рис. 5.26).

198

Рис. 5.26. Перспективы применения УУКМ

В последние годы во всех промышленно развитых странах ведутся интенсивные разработки по применению целой гаммы композиционных материалов в конструкции газотурбинных двигателей, что обусловлено возможностью повышения рабочих температур, уменьшения массы, габаритов, увеличения удельной тяги двигателя и т. д. Перспективными для применения в ГТД являются углерод-углеродные композиционные материалы. Фирма «Пратт и Уитни» (США) изготавливает панели из трехмерного тканого УУКМ с ребрами жесткости для слабонагруженных конструкций с внутренним креплением, предназначенных для использования в перспективных ГТД. Из УУКМ 3D-структуры на основе вискозных углеродных волокон фирма «Аэрогент» (Франция) предлагает изготавливать выходные сопла двигателей.

199

5.3. Нанокомпозиционные материалы

Наиболее интересные перспективы открываются при использовании нанотехнологий для создания композиционных материалов. Формирование наноструктуры может происходить как за счет кластерных выделений в аморфных матрицах, так и за счет поверхностного либо объемного модифицирования наночастицами металлических, керамических и полимерных материалов. При этом можно получать материалы, обладающие уникальными свойствами: высокими каталитическими и магнитными характеристиками, селективной поглощающей способностью, триботехническими свойствами, термо- и химической стойкостью, высокими прочностью и пластичностью.

5.3.1. Нанокомпозиты с полимерной матрицей

Нанокомпозиты из керамики и полимеров

Свойства конечного нанокомпозиционного материала зависят от природы взаимодействия между фазами и строения межфазных областей, объемная доля которых чрезвычайно велика.

Очень многие материалы – от металлов и керамик до биоминералов – состоят из неорганических наночастиц (оксидов, нитридов, карбидов, силикатов и т.д.). Они входят в состав и нанокомпозитов на основе различной керамики, и полимеров. Несовместимость этих неорганических и органических компонентов – основная проблема, которую приходится преодолевать при создании таких материалов. Чрезвычайно важно также контролировать в них степень микрофазного разделения.

Наибольшие успехи в получении материалов с сетчатой структурой были достигнуты золь-гель технологией, в которой исходными компонентами служат алкоголяты некоторых химических элементов и органические олигомеры.

Сначала алкоголяты кремния (титана, циркония, алюминия или бора) подвергают гидролизу

Si(OR)4 + H2O ↔ (OH)Si(OR)3 +ROH

(OH)Si(OR)3 + H2O ↔ (OH)2Si(OR)2 +ROH

(OH)2Si(OR)2 + H2O ↔ (OH)3Si(OR) +ROH

(OH)3Si(OR) + H2O ↔ Si(OH)4 +ROH,

200