Перспективные армирующие высокотемпературные волокна для металлических и керамических композиционных материалов

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Е.Н. Каблов, Б.В. Щетанов, Ю.А. Ивахненко, Ю.А. Балинова

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АРМИРУЮЩИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ВОЛОКНА ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Наличие композиционных материалов (КМ) - полимерных, керамических и металлических - является ключевым моментом при разработке перспективных систем для турбовинтовой и гиперзвуковой авиации. Развитие так называемых высокоэффективных искусственных волокон, имеющих высокую прочность, жесткость, термостойкость, позволит создать новую генерацию КМ.

В том случае когда термостойкость и прочность материала не являются критическими факторами, используются относительно дешевые полимерные (акрилаты, эпоксиды, поликарбонаты) и металлические материалы (алюминий, сталь, медь, вольфрам). Однако когда высокая эффективность является контролирующим фактором применения материала (аэрокосмическая отрасль, подводные сосуды), необходимы перспективные материалы с их высокой прочностью, жесткостью, низкой плотностью и высокой стойкостью в агрессивной атмосфере. Традиционные металлические, полимерные и керамические материалы не удовлетворяют многим из этих требований. На рисунке приведены ориентировочные температурные пределы использования различных структурных материалов [1].

Использование волокон приводит к возрастанию прочности и жесткости КМ в направлении оси волокна в десятки раз по сравнению со свойствами материала монолитной формы при одном и том же химическом составе. При этом упрочнение матрицы длинными волокнами будет заведомо больше, чем ее упрочнение частицами и короткими волокнами типа нитевидных кристаллов («усов»). Этим и обусловлен интерес к непрерывным высокоэффективным волокнам.

Высокоэффективные искусственные волокна, к которым относят в первую очередь волокна на основе карбида кремния, углеродные, борные, на основе оксида алюминия и ряд других, представляют в настоящее время основную область разработок волоконной индустрии. Данные волокна имеют свои особенности, которые и обусловливают их применение. Так, бескислородные углеродные волокна сохраняют свою прочность в области сверхвысоких температур при условии отсутствия контакта с кислородом. Полимерные волокна имеют низкую температуру применения, но при этом они легче углеродных и керамических волокон и радиопрозрачны. Керамические волокна устойчивы в окислительной атмосфере, но теряют свою прочность при высоких температурах.

Температура, °С

Введение волокон в высокотермостойкие сплавы повышает стойкость последних к высокотемпературной ползучести, введение в керамические материалы - повышает трещиностойкость. Кроме этого, важными причинами выбора КМ, при равных с традиционным материалом механических характеристиках, является более низкая плотность КМ и возможность относительно простого введения в него сенсоров и оптических волокон для контроля нагрузок и повреждений материала при его эксплуатации.

Суммируя вышесказанное, можно отметить, что волоконноупрочненные КМ отличаются высокими значениями модуля упругости и прочности, низкой плотностью, возможностью контроля жесткости, термического расширения и электропроводности, высокой стойкостью к коррозии и высокотемпературной ползучести, возможностью создания интеллектуальных материалов.

Новая область применения таких материалов - гиперзвуковая авиация - может потребовать дальнейшего прогресса в улучшении характеристик волокон. При температурах эксплуатации существующие волокна отличаются значительным ростом зерна и окислением, что приводит к снижению модуля и прочности, возрастанию ползучести, термического расширения и к взаимодействию с матрицей.

Следует отметить, что для развития работ по волоконноупрочненным КМ необходимо наличие отечественной базы перспективных волокон, играющих ключевую роль в производстве КМ, - существование такой базы зависит от долгосрочной поддержки исследований со стороны Правительства.

Различные типы волокон могут обсуждаться на основании классификации по температурам применения матрицы. Различают полимерные матрицы с температурой применения до 425°С, металлические - с температурой применения 815-1370°С и керамические - с температурой применения 1100-1650°С.

Использование металла в качестве матрицы позволяет передать конечному композиту такие важные свойства, как прочность и жесткость при растяжении (в продольном и поперечном направлении) и при сдвиге. Например, алюминий, упрочненный волокнами бора, демонстрирует прочность, равную прочности неармированной матрицы, и поперечную жесткость, в два раза превышающую жесткость матрицы. Кроме этого, важны также электрические и термические характеристики композита, сходные с характеристиками матрицы. Положительным моментом является возможность использования традиционного оборудования для получения металлических композиционных материалов (МКМ). С другой стороны, значительные сложности при производстве МКМ вызывают высокая температура их получения и взаимодействие волокна и матрицы, приводящие к деградации их свойств. Кроме того, различное термическое расширение волокна и матрицы приводит к разрушению композита при термоциклирова-нии. Наконец, композит может иметь меньшую коррозионную стойкость, чем матрица, вследствие изменения микроструктуры композита и разницы электрохимического потенциала волокно-матрица.

Потребности рынка в МКМ непредсказуемы. Сравнивать «статус» МКМ в разных странах сложно, вследствие того что основная деятельность ученых сосредоточена на стадии разработки и информация об этих разработках широко не публикуется.

Для аэрокосмического применения США разработали подкосы фюзеляжа для Space Shuttle. Советский Союз приложил значительные усилия в двух областях - разработке боралюминия и SiC-упрочненного титана. Европейский аэрокосмический консорциум разрабатывает МКМ с титановой матрицей, армированной волокнами SiC производства British Petroleum.

В Японии объединение усилий правительства и промышленности привели к широкому применению МКМ для поршней двигателей внутреннего сгорания (фирма «Тойота»). Кроме того, это объединение имеет своей целью развитие высокотемпературных волокон и композитов для гиперзвуковой авиации.

Будущее МКМ связано с их значительным превосходством над монокристаллическими металлическими и полимер-матричными системами. Для высоконагруженных конструкций стальные части могут быть заменены МКМ на титановой матрице. Применение

МКМ для частей турбины, эксплуатирующихся при температуре выше 500°С, вместо использующихся в настоящее время суперсплавов позволит кардинально снизить массу изделия и повысить эффективность.

Основные проблемы в развитии высокоэффективных МКМ связаны с упрочняющими волокнами. Главной из них является взаимодействие волокна и матрицы при высоких температурах получения и эксплуатации МКМ, что требует дополнительных усилий по разработке защитных покрытий на волокна и значительно повышает трудоемкость получения волокна и его стоимость.

Введение волокон в керамическую матрицу приводит к получению конструкционного керамического материала, который, сохраняя важные свойства керамики - такие как высокотемпературные стабильность и стойкость к воздействию окружающей среды, - при этом снижает хрупкость материала. Превосходная термостабильность керамических композиционных материалов (ККМ) по сравнению с ПКМ и МКМ делает их уникальными для высокотемпературного применения, - например для таких деталей, как форсунки сгорания турбин. Сочетание химической стойкости, относительно низких плотности и стоимости делают ККМ очень привлекательными для многих потенциальных применений.

Кроме конструкционного применения, существует много областей, где требуются специальные свойства КМ, такие как электрические и электромагнитные, теплопроводность, коррозионная стойкость в агрессивной среде и др. [1].

В настоящее время существует ряд фирм, производящих волокна для перспективных КМ (см. таблицу).

Высокоэффективные волокна для МКМ и ККМ [2, 3]

Произво- дитель Марка волокна Состав (содержание элементов, %) Плот- ность, г/см3 Диа- метр, мкм Е Ов Tmax, °C

П Па

Nippon- Nicalon NL200 57 Si; 31 C; 12 O 2,55 14 220 3,0 <1300

Carbon Hi Nicalon 62 Si; 32 C; 0,5 O 2,74 14 270 2,8 <1400

Hi Nicalon-S 68,9 Si; 30,9 C; 0,2 O 3,10 12 420 2,6 <1400

Textron SCS-6 SiC на C 3,0 140 390 4,0 <1400

3M Nextel 650 89 Al2O3; 10 ZrO2; 1 Y2O3 4,1 10-12 358 2,5 1080

Nextel 720 85 Al2O3; 15 SiO2 3,4 10-12 260 2,1 1150

Nextel 610 >99 Al2O3 3,88 14 373 2,93 1000

Saphikon Saphikon 100 Al2O3 3,96 125 470 3,5 1250

Следует особо отметить, что достижение высоких механических характеристик вышеприведенных волокон стало возможным вследствие выполнения специальных долгосрочных государственных программ, объединяющих усилия правительства, промышленности и науки. Так, в США, благодаря государственной поддержке, за десять лет удалось повысить прочность волокон Nextel 610 почти в два раза [3].

В последние годы в России также предпринимаются определенные усилия по введению долгосрочных государственных программ, направленных на восстановление производств армирующих волокон, таких как SiC, Al2O3, разработку КМ на их основе.

ЛИТЕРАТУРА

1. High-performance synthetic fibers for composite. Report of the Committee on High-performance Synthetic Fibers for Composite.- Washington: Publication NMAB-458 National Academy Press, 1992, 144 р.

2. Ceramic fibers and coatings. Advanced materials for the twenty first sentury. Report of the Committee on Advanced Fibers for Hi-Temperature Ceramic Composites.- Washington: Publication NMAB-494 National Academy Press, 1998, 110 р.

3. Wilson D. M., Visser L. R. High-performance oxide fibers for metal and ceramic Composites //Processing of Fibers & Composites Conference.- Barga (Italy), 2000 (May 22), 31 р.