Стеклянные, кварцевые волокна.

Стеклопластики считаются одними из наиболее применяемых композиционных материалов. В 1979 г. в США было произведено более 900 тыс. материалов этого типа [4]. Огромный объем выпуска стеклопластиков обусловлен их высокими свойствами и сравнительно невысокой стоимостью.

Для производства стеклопластиков требуются стеклянные волокна различного типа. К настоящему времени разработано большое количество марок волокон и предложены эффективные технологические процессы их изготовления.

Основу стекол составляет кремнезем SiO₂. Температура плавления диоксида кремния достаточно высока, и для ее снижения в стекло могут быть введены различные добавки, изменяющие при этом свойства конечного продукта. Стекло—это аморфный материал, не имеющий кристаллического строения, и по физико-механическим свойствам оно занимает положение между твердым телом и жидкостью.

Спектр достоинств стеклянных волокон предопределил их широкую распространенность. Плотность волокон относительно невысока и находится в диапазоне (2,4.._2,6)-10³ кг/м³. Стекловолокна имеют высокий уровень прочности в условиях действия растягивающих напряжений, являются очень хорошими электроизоляторами. Их удельная прочность (отношение предела прочности к плотности) выше, чем у стальной проволоки [4]. Стеклянные волокна (рис.5.8), являясь материалами неорганического происхождения, не горят и не поддерживают горение. Высокая температура плавления волокон позволяет использовать их для эксплуатации при повышенных температурах. Стеклянные волокна имеют низкий температурный коэффициент линейного расширения и высокий коэффициент теплопроводности. Они химически стойкие, не реагируют на действие большинства химикатов, устойчивы к воздействию грибков, бактерий и насекомых. Стеклянные волокна обладают повышенной влагостойкостью, под действием влаги не набухают, сохраняют высокие прочностные свойства в средах с повышенной влажностью.

Обычно форма сечения стеклянных волокон представляет собой круг. Однако в некоторых случаях выпускают полые и профилированные волокна с формой сечения в виде треугольника, квадрата, шестиугольника и прямоугольника (рис.5.7).

 

Рис..5.7. Формы сечений стеклянных волокон

 

Стеклянные волокна используются в виде как непрерывных нитей, так и реза­ного (штапельного) волокна.Технологический процесс получения волокна заключается в подготовке кварцевого песка, известняка, борной кислоты, глины, угля, флюорита и других компонентов, их перемешивании и плавлении в высокотемпературных печах. Температура плавления композиции составляет примерно 1260 °С. Различают одно- и двухстадийные процессы получения стекловолокна. При одностадийном процессе расплав стекла поступает непосредственно в оборудова­ние, позволяющее получать стеклянную нить, пряжу, ровинг или резаное волокно (штапель). При реализации двухстадийного про­цесса расплав сначала перерабатывается в стеклосферы, которые затем поступают в плавильные печи и далее перерабатываются в конечный продукт.

Схематически одностадийный процесс получения стекловолокна показан на (рис.5.9.) Этим способом получают большую часть стеклянных волокон. Стеклянный расплав из ванны поступает в емкости из платинового сплава, имеющие форму лодочки. Емкость для расплавленного стекла называют бушингом. В дне бушинга имеются отверстия диаметром 0,8...3,0 мм, через кото­рые под действием гидростатического давления экструдируются тонкие струи стекла. Затем стекло подвергают интенсивному механическому вытягиванию.

Элементарные волокна охлаждаются в подфильерном холодильнике в потоке водяных брызг, объединяются в нить и пропускаются через устройство, в котором на нить наносится специальное покрытие - замасливатель. Замасливатель повышает компактностьнити и защищает ее от механического воздействия. Собранные в единый пучок элементарные волокна называют жгутом, или стренгой. Жгут наматывается с помощью намоточного устройства со скоростью свыше 3 км/мин. В зависимости от потребности происходит дальнейшая переработка стекловолокна в пряжу, ровинг или штапельное (резаное) волокно. Для получения штапельного волокна может быть применен способ воздушного вытягивания, при котором расплавленная масса, вытекающая из отверстий фильеры, вытягивается и разрывается в струе воздуха. Второй способ производства штапельных волокон заключается в разделении непрерывного стекловолокна на отдельные отрезки.

Рис. 5.8. Электронная микроотография стеклянного волокона.

 

 

Рис.5.9. Схема одностадийного процесса получения стекловолокна

 

Диаметр стеклянных волокон, полученных по описанной технологии, составляет от  3 до 19 мкм. Изменение диаметра зависит от скорости приема нити или скорости истечения струи. При производстве стеклянных волокон контролируются многие технологические параметры, важнейшими среди которых являются температура нагрева материала, вязкость расплава и др.

При производстве стеклянных волокон используют два типа замасливателей, предотвращающих истирание волокон при их транспортировке и дальнейшей переработке. Одни из них – технологические замасливатели - применяют только на стадии переработки волокна. Перед изготовлением композиционного материала технологические замасливатели смывают или удаляют путем нагрева волокна до 1100 К. В качестве технологическихзамасливателей применяют парафиновую эмульсию, материалы на основе крахмала и другие составы. Для того чтобы обеспечить хорошие адгезионные свойства стеклянных волокон, иногда после удаления технологических замасливателей на их поверхность наносят специальные материалы, называемые аппретами. Аппреты способст­вуют созданию прочной связи на границе между волокном и полимерной матрицей.Другой тип замасливателей– активныезамасливатели, выполняющие двойную функцию. Они одновременно предохраняют поверхность волокна от механического воздействия и улучшают адгезию между стеклом и полимерной матрицей. Активные замасливатели с поверхности стекловолокна не удаляются.

Свойства стекол определяются их химическим составом. Типичными (коммерческими) марками стекла считаются маркиА, С, Е, S. Наиболее распространены высокощелочные (натриевые, бутылочные) А-стекла. Наличие большого содержания щелочи определяет их невысокие электрические свойства. Для устранения этого недостатка были разработаны низкощелочныеЕ-стекла, имеющие хорошие электроизоляционные свойства. Из Е-стекол изготавливается большая часть текстильного ассортимента стекловолокон [4].

Для обеспечения особо высокой химической стойкости разработаны С-стекла. Высокопрочными считаются S-стекла. Прочност волокон из S-стекол примерно на 40 % выше прочности волокон и S-стекол, что объясняется более высокой прочностью исходно1композиции.

Свойства стеклянных волокон определяются их химические составом и строением (наличием дефектов). В таблице 5.3 приведены физико-механические свойства стеклянных волокон.

 

Таблица5.3. Характеристики стеклянных волокон

Свойства	Марка стекла *
	MAC	АБС	КС
Физические:
Плотность ρ, кг/м3	2480	2540	2490
Механические:
Предел прочности при растяжении 𝜎,МПа:
при 22 °С	4585	3448	3033
371 °С	3768	2620	—
533 °С	2413	1724	—
Модуль упругости при растяжении Е, МПа, при 22 °С	85,5	72,4	69,0
Предел текучести 𝜎т.	5,7	4,8	4,8
Термические:
КЛТРα·106, К-1	5,6	5,0	7,2
Коэффициент теплопроводности λВт/(м·К)	—	10,4	-
Удельная теплоемкость сm,Дж/(кг·К), при 22 °С	0,176	1,197	0,212
Температура размягчения Т, °С	-	841	749

*MAC- магнийалюмосиликатное стекло, АБС - алюмоборосиликатное стекло, КС - кислостойкое стекло.

Кроме отмеченных типов стеклянных волокон, имеющий сложный химический состав, при производстве композиционных материалов используются кварцевые и высоко-силикатные волокна. Кварцевое стекло получается из естественных кристаллов кварца и содержит не менее 99,95 % SiO₂.  Месторождений чистого природного кварца, пригодных для производства высококачественных волокон, в мире немного. В частности, рудники по добыче такого кварца действуют в Бразилии. Достоинством кварцевого волокна является его высокая прочность и термостойкость. При повышении температуры до 1200 К модуль упругости кварцевого волокна возрастает от 74 ГПа (при 300 К) до 83 ГПа. Высоко-силикатноестекло и кварц отлично переносят тепловой удар. Стекло и кварц можно нагреть до 1093°Си охладить в воде, что не приведет к явному изменению их структуры.

Кварцевое стекло даже при температуре 2400 К не теряет высокой вязкости. Поэтому описанная технология вытягивания волокон из расплава для кварца не подходит. Основной способ получения волокон из кварца - их вытягивание из нагретых стержней (штабиков). Диаметр исходных кварцевых стержней составляет от 0,2 до 2,0 мм.

Схема технологических процессов получения кварцевых штабиков, измельченных волокон, пряжи, ленты и тканей приведены на рис.5.10.

 

Рис5.10. Схема технологического процесса получения кварцевыхштабиков

 

Различными фирмами выпускаются тысячи наименований кварцевых волокон.Основным сырьем для производства высоко-силикатного стекла является высокочистый песок. Кремнеземное (высоко-силикатное) волокно, содержащее от 95 до 99 %SiО₂, получают из силикатных стекол по технологии выщелачивания. Основные этапы получения высоко-силикатного стекла:

- получение силикатного стекла с содержанием около 65 %SiО₂;

- расплавление силикатного стекла;

-получение стекловолокна;

- выщелачивание в разбавленных растворах минеральных кислот;

-промывка водой;

-сушка;

- термическая обработка при 540 °С (для удаления связанной воды).

Одиночные непрерывные стекловолоконные жгуты (стренги), которые получаются непосредственно на выходе из бушинга, являются простейшей формой текстильной пряжи («простая пряжа»). Перед тем как простую пряжу подвергнуть текстильной переработке, ее предварительно закручивают. Тонкая простая пряжа на практике используется редко. Чаще необходима более толстая пряжа, которую можно получить скручиванием двух или более жгутов. Последующее скручивание двух или более предварительно скрученных жгутов называется трощением.

Для того чтобы создать эффект объемной стекловолоконной пряжи, на нее необходимо воздействовать струей воздуха. При этом происходит случайное разрушение элементарных волокон,

расположенных на поверхности пряжи, и ее распушение. Такой процесс создания объемной пряжи называется текстурированием. Процесс разрушения элементарных волокон контролируется давлением воздуха и скоростью подачи пряжи.

Путем совместного прядения нескольких простых жгутов (стренг) получают ровинг. Большая его часть перерабатывается в грубые ткани. Достоинством тканей из ровинга является возможность быстрого набора толщины.

Часть производимого стекловолокна используется для изготов­ления матов. Стекловолоконные маты получают из резаных или непрерывных жгутов, а также из простых непрерывных мононитей. Маты, изготовленные из резаных волокон, могут достигать толщины почти 2 м. Очень малая толщина стекловолоконных матов, получаемых из непрерывных мононитей, позволяет использовать их как декоративные поверхностно армированные слои.

Стекловолоконная пряжа может быть использована для производства стеклотканей. Стеклоткани как технологичный материал используют в производстве полимерных композитов. Они удобны для производства крупногабаритных изделий.

В тканях различают два типа нитей: основу и уток. Нити, ори­ентированные вдоль ткани, называются основой, уток перевивает нити основы в поперечном направлении. В зависимости от типа переплетения нитей основы и утка различают несколько видов текстильных тканей. Стеклоткани могут иметь полотняное переплетение, в котором нить утка проходит последовательно под каждой нитью основы и над ней. Достоинством этого вида ткани является малая повреждаемость нитей и высокая степень устойчивости при проскальзывании пряжи.

Для производства стеклотканей используют также сеточное (рогожка), саржевое (диагональное), сатиновое и другие виды переплетений. Промышленностью в основном выпускаются ткани полотняного и сатинового переплетения. Кроме того, стекловолоконная пряжа используется для изготовления тесьмы, контурных тканей, тканей с гофрированными нитями, трехмерных тканей.

Кварцевые и высоко-силикатные волокна обладают большей прочностью и гибкостью по сравнению с обычными стекловолокнами, поэтому они более технологичны. Благодаря высоким качествам высоко-силикатные и кварцевые волокна перерабатываются практически во все текстильные формы.

Тип переплетения, плотность ткани определяют ее гибкость, формуемость, повреждаемость, влияют на прочностные свойства композиционного материала, определяют способность пропитки связующим. Ткани с плотным переплетением плохо принимают различную форму, медленно пропитываются связующим, что является одной из причин низких прочностных свойств получаемых из них композиционных материалов. Ткани с редким переплетением нитей также не обеспечивают высокого комплекса прочностных свойств. В зависимости от конкретных обстоятельств в каждом случае определяется оптимальный тип переплетения тканей.

Для повышения прочностных свойств и износостойкости на поверхность стеклянных волокон могут быть нанесены металлические покрытия, например никель, медь, железо, цинк. Нанесение металлических покрытий осуществляется из паровой фазы или методом металлизации в жидкой ванне.

Содержание волокна в стекловолоконных композиционных материалах может достигать 80 %. Такое высокое содержание стекловолокна и соответст­венно малая объемная доля связующего в композитах достигаются за счет прикатывания материалов в процессе их изготовления. Для повышения объемной доли волокна необходимо использовать схемы его плотной упаковки. Применение спиральной намотки по сравнению с намоткой параллельных волокон снижает их объемную долю в композиционных материалах. Оптимальная доля стекловолокна в композиционных материалах составляет 30...32 %. Зависимость механических свойств стеклопластиков от массовой доли связующего отражена на рис. 5.11

 

 

Рис.5.11.Зависимость пределов прочности стеклопластиков от массовой доли связующего С: - при изгибе; 2 - растяжении; 3 - сжатии

 

 

Углеродные волокна

Углеродные волокна. Углеродные волокна получают из полиакрилнитрильного(ПАН) гидроцеллюлозного волокна или из волокон на основе нефтяных смол или пеков. Технологический процесс получения углеродных волокон основан на термическом разложении органических исходных волокон в контролируемых атмосферах.

Процесс производства углеродного волокна из полиакрилнитрильного волокна сводится к последовательному проведению операций окисления, карбонизации и графитизации.

Рис. 5.12. Влияние температуры графитизации на свойства углеродных волокон.

 

Окисление ПАН­ волокон осуществляют при 200— 300 °С, и на этой стадии переработки создаются условия для формирования оптимальной структуры углерода. Карбонизация проходит при температурах выше 900 °С в атмосфере водорода, и на этой стадии исходному волокну придается огнестойкость. При температуре обработки выше 900°С формируется структура углеродного волокна.

Обработка проводится в вакууме или инертной среде — азоте, аргоне или гелии. Конечная температура обработки существенновлияет на свойства углеродных волокон. Изменяя температуру графитизации, можно управлять свойствами волокна (рис.5.12). Структура углеродного волокна (рис.5.13.) состоит из системы лентообразных слоев конденсированного углерода с гексагональной структурой, называемых микрофибриллами.

Рис. 5.13. Схема строения углеродного волокна: а – общий вид; б – продольное сечение фибриллы; в – поперечное сечение микрофибриллы; L_all и L_c – поперечные размеры микрофибрилл.

 

Группы однонаправленныхмикрофибрилл, разделенных узкими порами, образуют фибриллы. Размеры поперечного сечения фибрилл колеблются в широких пределах от сотендо тысяч ангстрем. Взаимное расположение фибрилл, степень их ориентации зависят от исходного сырья: степени вытяжки волокон, состава макромолекул, технологии получения волокон. В результате углеродные волокна, полученные из разных исходных материалов, обнаруживают разный характер соотношения между прочностью и жесткостью и разные прочностью свойства. Прочность углеродных волокон также зависит от наличия дефектов — пустот, трещин – и значительно снижается с увеличением размеров дефектов. В настоящее время освоено производство нескольких типов углеродных волокон, отличающихся уровнем механических свойств.

Рисунок 5.14. Связь между временным сопротивлением и модулем упругости углеродных волокон, полученных из полиакрилнитрила (1), вискозы (2)

 

Промышленностью выпускаются углеродные волокна виде крученого или некрученого жгута с диаметром волокон около 7 мкм и числом волокон в жгуте от 1000 до 160 000 (рис 5.15) . Из углеродных волокон делают ленты различной ширины.

Рис. 5.15. Микрофотография углеродных волокон

 

К недостаткам углеродных волокон следует отнести их склонность к окислению на воздухе, химическую активность при взаимодействии с металлическими матрицами, слабую адгезию с полимерными матрицами. Улучшениисовместимости волокон с металлическими матрицами и защищенности их от окисления добиваются нанесением на углеродные волокна металлических и керамических покрытий

 

Борные волокна

Борные волокна получают осаждением бора из газовой фазы (ВСl₂ + H₂) при 1100 – 1200 °С на предварительно нагретую очищенную вольфрамовую проволоку диаметром 12 мкм. В результате осаждения образуется сердцевина из боридов вольфрама (WB,W₂B₅, WB₄) диаметром 15–17 мкм, вокруг которой располагается слой поликристаллического бора. Диаметр полученного таким образом волокна бора – в пределах от 70 до 200 МКМ.

Прочность сердцевины значительно ниже прочности волокна в целом. В сердцевине возникают напряжения сжатия, в пределах же зоны бора, прилегающей к сердцевине, –растягивающие напряжения. Наличие растягивающих напряжений является причиной радиальных трещин в борных волокнах.

Прочность борных волокон определяется поверхностными и объемными дефектами, а также дефектами на поверхности раздела сердцевина–оболочка. Чаще поверхностные дефекты возникают в борных волокнах с грубой поверхностью, содержащей наросты, неровности и трещины, Поверхностные дефекты устраняют травлением, что ведет к увеличению прочности борного волокна.

Объемными дефектами являются включения крупных кристаллов бора, образующихся при повышенных температурах (1200 – 1300°С) в зоне осаждения, и других примесей. Полностью исключить появление поверхностных и объемных дефектов невозможно. Уменьшить их влияние можно, совершенствуя технологический процесс получения волокон бора.

Волокна бора обладают ценным сочетанием свойств: низкой плотностью (2600 kг/m³), достаточно высокой Прочностью (𝜎_в= 3500 МПа при модуле Юнга 420 000 МПа) и температуре плавления 2300°С. Борное волокно интенсивно окисляется на воздухе при 400°С, а при температурах выше 500°С интенсивно взаимодействует с алюминиевой матрицей Повышают жаростойкость и предотвращают взаимодействие борного волокна с алюминиевой матрицей, нанося на их поверхность покрытия из карбида кремния толщиной 3—5 мкм. Волокна бора, покрытые карбидом кремния, получили название борсик. При повышенных температурах на воздухе прочность волокон борсика и карбида кремния значительно выше прочности волокон бора (Рис. 5.16). Борные волокна выпускаются промышленностью в виде моноволокн на катушках, а также в виде полуфабрикатов – лент полотняного плетения шириной от 5 до 50 см. Основу полотен образуют борные волокна, а уток –полиамидные или другие волокна.

Волокна бора применяют в производстве композитов на основе полимерной и алюминиевой матриц.

Рис. 5.16. Изменение прочности волокон бора (1), борсика (2), карбида кремния (3) на воздухе в зависимости от температуры

 

Органические волокна

Для производства композиционных материалов используются в основном органические арамидные и полиэтиленовые волокна. Арамидные волокна относятся к классу ароматических полиамидных материалов. Впервые они появились в 1971 г. под торговой маркой «кевлар» (фирма «Дюпон»). Достоинствами кевлара являются высокие механические свойства в широком диапазоне температур и хорошая химическая стойкость.

Формование арамидных нитей осуществляется «сухо-мокрым» способом. Раствор очищенного волокиобразующего полимера в сильной кислоте при 50-100 °Сэкструдируется через фильеру прядильной головки и попадает в воздушную прослойку толщиной 5-19 мм. Диаметр одиночного волокна составляет 12 мкм. Далее волокна проходят через осадительную ванну с холодной водой (t< 4 °С). Полученная нить наматывается на приемную бобину. Предварительно перед намоткой происходит упрочнение формуемой нити.

Кевлар­— это жесткоцепной высоко ориентированный полимер. Ароматические кольца способствуют преимущественной ориентации макромолекул полиамида вдоль одной оси. Оси макромолекул совпадают с осями волокон кевлара. В поперечном направлении взаимодействие осуществляется посредством водородных связей. В продольном направлении реализуются ковалентные связи. Таким образом, волокна кевлара обладают высокой анизотропией механических свойств. Волокно имеет высокую продольную и низкую попереч­ную прочность. Структура волокна кевлара подобна системе длинных, связанных в поперечном направлении прутьев.

Химический состав и структура арамидных волокон определяют их уникальные свойства. Они обладают самыми высокими среди органических волокон значениями прочностных свойств и модуля упругости. Плотность волокон кевлара составляет - 1440 кг/м³, предел прочности при растяжении 2700-3300 МПа, максимальный модуль упругости 96,5 ГПа (кевлар-29) и 128 ГПа (кевлар-49). По сравнению со стеклянными и углеродными волокнами арамидные волокна являются более пластичными. Их удлинение при растяжении составляет 2-4 %. Недостаток арамидных волокон - сорбирование влаги, в результате которого их свойства снижаются на 15-20 % .

Соотношение между свойствами различных типов армирующих волокон, применяющихся для производства композиционных материалов, иллюстрирует рис. 5.17.

 

Рис.5.17 . Зависимости «растягивающее напряжение а- деформация е» для различных армирующих волокон: 1 - высокомодульная пряжа из углеродных волокон (Е - = 414 ГПа), 2 - бороволокна(Е = 379 ГПа), 3 - высокопрочная пряжа из углеродных волокон (Е = 262 ГПа), 4 - ровинг из волокна кевлар-49 (£ = 131 ГПа), 5 - ровинг из S-стекловолокна (£ = 82,7 ГПа), 6 -ровинг из Е-стекловолокна (Е= 68,9 ГПа), 7 - волокно «номекс»

 

Фирма «Дюпон» выпускает такие известные марки арамидных волокон, как кевлар-29 и кевлар-49. Кевлар-29 выпускается в виде технических нитей различного назначения, кевлар-49 — в виде пряжи, ровинга и тканей. Волокна кевлара-29 используются преимущественно при производстве кабелей и канатов, а также для изготовления корда автомобильных шин. Композиционные материалы на основе кевлара-49 используются для изготовления полов, дверей, переборок самолетов и вертолетов. Кроме того, эти материалы находят применение при изготовлении корпусов ракетных двигателей, защитных касок, пуленепробиваемых жилетов, лодок, хоккейных клюшек и другого спортивного снаряжения.

Волокна кевлара используются для производства полимерных композиционных материалов. В качестве матричного материала чаще используются эпоксидные либо полиэфирные связующие.

Достоинством полиэтиленовых волокон является их низкий уровень плотности – 0,97 г/см³. При этом волокна типов «спектра» (США), «дайнема» (Нидерланды), «текмилон» (Япония) обладают упругопластическими свойствами на уровне арамидных волокон.Некоторые механические свойства арамидных и полиэтиленовых волокон приведены в табл.5.4.

 

Таблица 5.4. Механические характеристики арамидных и

полиэтиленовых волокон

Марка материала (страна, фирма)	Плотность p, кг/м3	Прочность при растяже­нии𝜎, МПа	Модуль упру­гости Е, МПа	Удлинение при разрыве, %
Армос (Россия, ВНИИПВ)	1450	5000-5500	1 140-142	3,5-4,5
СВМ(Россия, ВНИИПВ)	1430	3800-4200	120-135	4,0-4,5
Терлон (Россия, ВНИИПВ)	1450	3100	* 100-150	2-3,5
Кевлар-29 (США, «Дюпон»)	1440	2920	69-77	3,6
Кевлар-129 (США, «Дюпон»)	1440	3200	75-98	3,6
'Гварон (Нидерланды, АКЗО)	1440	2800	80-120	3,3-3,5
Технора (Япония, «Тейджин»)	1390	3000-3400	71-83	4,2
Спектра 900 (США, «Эллаяд»)	970	2570	50-120	3-6
Дайнема (Нидерлан­ды, ДСМ)	970	До 3350	50-120	3-6
Текмилон (Япония, «Мицуи»)	960	3500	100	4

 

Керамические волокна

Если для производства композиционных материалов требуются упрочняющие элементы, обладающие высоким уровнем механических свойств, высокой химической стойкостью, жаростойкостью и жаропрочностью, рационально использовать керамические волокна. Керамические волокна особенно необходимы для производства композитов с металлической матрицей.

Керамические волокна изготовляют из прочных тугоплавких, химически стойких материалов: оксидов алюминия и циркония, нитрида бора, карбидов бора и кремния, других карбидов, нитридов и оксидов. По сравнению с массивными объектами керамические волокна, имеющие поликристаллическое строение, обладают более высокой прочностью, однако, в отличие от монокристаллических усов, их прочность меньше.

Процесс получения поликристаллических керамических волокон протекает в три этапа:

1) получение суспензии или коллоидного раствора металлоор­ганического соединения;

2) формирование волокна путем продавливания суспензии (раствора) через фильеру или получение тонкой пленки на гладкой поверхности;

3) обжиг волокна для удаления органических веществ и обеспечения плотной структуры.

 

Одним из наиболее перспективных типов упрочнителей компо­зиционных материалов являются волокна карбида кремния. Плотность карбидокремниевых волокон равна 3900-4050 кг/м³. Предел прочности при растяжении составляет – 3000-3400 МПа, модуль упругости – 450 ГПа. Прочностные свойства волокон определяются типом и количеством локальных дефектов, имеющихся на их поверхности (утолщения, посторонние частицы, точки налипания). Карбидокремниевые волокна жаростойки и жаропрочны, они способны выдерживать длительное воздействие высоких температур. При получении металлических композиционных материалов это обстоятельство имеет важное значение. Перспективным является использование волокон карбида кремния в качестве упрочнителя композиционных материалов с матрицей из титана и жаропрочных сплавов. В качестве покрытий на карбидокремниевые волокна могут наноситься карбиды вольфрама WC, тантала ТаС, гафния HfC, титана TiC. Карбид кремния может использоваться и в качестве покрытия на борных волокнах (волокна борсик).

Преимущества карбидокремниевых волокон по физическим и механическим свойствам выше, чем у борных. Другое важное достоинство волокон из карбида кремния – их более низкая стоимость по сравнению с борными волокнами. Это обстоятельство обусловлено меньшей стоимостью исходных веществ, используемых при производстве волокон SiC, большей скоростью осаждения карбида кремния, другими технологическими особенностями.

Получение карбидокремниевых волокон подобено получению борного волокна, но дозировка и транспортировка парогазовой фазы при производстве карбидокремниевых волокон сложнее по сравнению с получением борного волокна. Вместо хлорида бора в реактор подается смесь алкилсиланов и водорода. Соотношение газов в реакторе определяется исходным диаметром основы, требуемым диаметром получаемого волокна и размерами реактора. Температура подложки составляет 1100... 1200 °С.