СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF COMPOSITE MATERIAL OBTAINMENT

Изобретение относится к области композиционных материалов, а именно к металломатричным композиционным материалам на основе легких сплавов, армированных дискретными керамическими или углеродными волокнами, используемым для производства деталей электронной промышленности (корпуса и основания электронной техники), авиационной и космической отрасли (основания силовых приборов, стойки каркасных конструкций и др.), автомобильной, энергетической и рекреационной промышленности.
Дискретно армированные металломатричные композиционные материалы обладают повышенной прочностью, жесткостью и низким удельным весом по сравнению с неармированным матричным металлом, при этом они сохраняют такие металлические свойства, как способность к деформации, механической обработке, электро- и теплопроводность. Однако при получении композиционных материалов данного класса возникает ряд проблем, таких как обеспечение высокой объемной доли армирующего наполнителя, сохранение целостности армирующего волокна, равномерность его распределения в объеме матрицы, преодоление плохой смачиваемости волокна. В ряде случаев для реализации тепловых и прочностных свойств волокна необходима направленная ориентация наполнителя. На решение этих проблем направлено данное изобретение.
Известен способ получения металломатричного композиционного материала, упрочненного графитовыми волокнами, включающий получение преформы из случайно ориентированных углеродных волокон в виде мата, нанесение на преформу покрытия, способствующего смачиванию, например, карбида или борида титана, пропитку мата расплавом матричного сплава, охлаждение мата до температуры не более чем на 50°С ниже температуры солидуса матричного сплава и горячее экструдирование пропитанной заготовки для обеспечения направленной ориентации волокна в объеме композиционного материала (Патент США №3918141).
4
3
2
Недостатком данного способа является сложность технологического цикла: приготовленную ленту из случайно ориентированных графитовых волокон подвергают операции реакционного парового осаждения в смеси газов аргона, TiCl, BCl и Zn при температуре 650°С, в результате получают покрытие TiB на волокнах. Перемещение в ванну для пропитки осуществляют в среде аргона, пропитку в расплаве алюминиевого сплава - в вакууме. Затем горячую заготовку перемещают в графитовый штамп для экструдирования, полученный после экструдирования продукт охлаждают. Все эти операции требуют специального герметичного оборудования, подвода и отвода газов, поддержания высокой температуры, что не может не сказываться на стоимости изделия. Кроме того, наличие смачивающего агента на волокнах отрицательно сказывается на свойствах получаемого материала, а при охлаждении экструдированного изделия в герметичном объеме от температуры, близкой к температуре солидуса матричного сплава, возможно образование ликвационных пор в материале, так как алюминий при охлаждении уменьшается в объеме.
2
Известен способ получения металломатричного композиционного материала путем газотермического нанесения матричного алюминиевого сплава на ленту из непрерывного углеродного волокна с получением полуфабриката, сборки пакета из нескольких слоев полуфабриката и последующего его прессования при температуре 500°С и давлении 4 кг/мм в течение получаса (Патент РФ №2037549).
Однако при использовании данного метода варьирование объемной доли наполнителя возможно лишь в узком интервале, распределение волокна в матрице неоднородно по всему объему композиционного материала и носит слоистый характер, что приводит к неоднородным свойствам материала, а кроме того, углеродное волокно теряет прочность как во время газотермического напыления, так и при продолжительном (в течение получаса) горячем прессовании вследствие реакционной агрессивности алюминия к углеродным материалам.
Известен способ получения металломатричного композиционного материала, армированного дискретными волокнами, с низким удельным весом, высокой теплопроводностью и КТР в заданном диапазоне, включающий перемешивание хаотично расположенных волокон со связующим, прессование волокон со связующим для получения связанной преформы, размещение связанной преформы в форму пресса, нагрев преформы для удаления связующего и ее пропитку под давлением расплавом матричного металла с последующей кристаллизацией (Европейский Патент №1432840).
Недостатком данного способа является необходимость формования связанной преформы и последующего удаления из нее связующего, что требует дополнительной оснастки для горячего прессования преформы и отвода газов при удалении связующего. Это повышает стоимость получаемого материала, а кроме того, при неполном выгорании связующего возможно загрязнение композиционного материала его остатками и продуктами сгорания, что приводит к неравномерной структуре материала и снижает его тепловые и механические свойства.
За прототип данного изобретения принят способ получения композиционного материала на основе алюминиевой матрицы, армированной углеродным волокном с объемной фракцией до 0,55, включающий приготовление преформы из углеродного волокна и связующего, уплотнение полученной преформы с получением волокнистой преформы с требуемой долей армирования, нагрев волокнистой преформы до 500°С в течение 1 часа, ее пропитку расплавом матричного металла, перемещение пропитанной металлом заготовки в форму пресса и ее прессование под давлением. В качестве связующего используют целлюлозное волокно (Патент США №5437921).
Недостатком данного способа является большое число операций процесса получения композиционного материала, что увеличивает время производственного цикла и стоимость изделия, а нагрев прессованной заготовки до 500°С в течение 1 часа подразумевает использование камеры, обеспечивающей вакуум или инертную атмосферу, иначе углеродные волокна на воздухе полностью сгорят. Кроме того, введение связующего в волокнистую преформу в виде водного раствора целлюлозного волокна отрицательно сказывается на теплопроводных свойствах получаемого материала. Также использование расчетного давления уплотнения на стадии получения волокнистой преформы не позволяет достигнуть требуемой доли армирования из-за явления упругого возврата, всегда имеющего место в изделиях из дискретных волокон. При превышении давления прессования произойдет разрушение волокон, снизится аспектное отношение волокон (отношение длины волокна к его диаметру), что снизит КТР и прочность изделия.
Технической задачей данного изобретения является разработка экономичного способа получения бездефектного композиционного материала с металлической матрицей, армированной дискретным волокном, обеспечивающего такие свойства, как высокая теплопроводность, низкий КТР и малый удельный вес.
Для решения поставленной задачи предложен способ получения композиционного материала на основе металлической матрицы и неметаллического волокна, включающий приготовление преформы из неметаллического волокна, уплотнение полученной преформы и ее пропитку расплавом матричного металла, отличающийся тем, что преформу помещают в пресс-форму с перфорированным дном, уплотняют с одновременным удалением воды через перфорированное дно, фиксируют, сушат, заливают матричным металлом и пропитывают матричным металлом под давлением.
Пропитку под давлением осуществляют методом направленной кристаллизации.
В качестве неметаллического волокна используют дискретные волокна углерода, оксида алюминия или карбида кремния.
В качестве матричного металла используют алюминий, магний, цинк, олово, свинец или их сплавы.
Верхняя часть пресс-формы имеет фиксирующие элементы для фиксации уплотненной преформы в течение пропитки под давлением.
Использование пресс-формы с перфорированным дном и фиксирующими элементами позволяет совместить в одной оснастке несколько операций технологического цикла: (уплотнение, сушку, заливку и пропитку матричным расплавом), снизив при этом время и стоимость процесса, а также обеспечить целостность волокон и плотную беспористую структуру получаемого композиционного материала. Полученную на предварительной стадии методом фильтрования волокнистую преформу размещают в пресс-форме и подвергают влажному уплотнению с одновременным удалением воды через перфорированное дно, что предотвращает ломку волокон. Требуемую долю объемного наполнения фиксируют в пресс-форме для исключения эффекта упругого воздействия (упругий возврат), который ведет к появлению расслойных трещин и изменению объемной доли преформы после выпрессовки из пресс-формы.
Открытая, благодаря перфорированному дну, схема пропитки обеспечивает беспрепятственный отвод газов из пористой преформы при пропитке, что способствует получению плотной бездефектной структуры композиционного материала.
Пропитка под давлением методом направленной кристаллизации позволяет избежать усадочной пористости матричного материала.
ПРИМЕР 1. Получение композиционного материала на основе алюминиевой матрицы, армированной дискретным углеродным волокном с объемной долей армирования 60%.
Углеродное волокно средним диаметром 10 мкм и длиной 100-200 мкм размешивали в дистиллированной воде и из полученной водной волокнистой пульпы получали преформу методом вакуумного фильтрования. Полученную преформу размещали в пресс-форме с перфорированным дном и производили ее уплотнение путем вертикального сжатия на расчетную величину, обеспечивающую степень наполнения 60%. Сжатую преформу фиксировали в пресс-форме с помощью фиксирующих элементов, сушили, заливали расплавом алюминия (температура расплава 800°С), и давлением пуансона на алюминий обеспечивали полную пропитку волокнистой преформы (давление пропитки составило 1,8 МПа).
Затем давление повышали и проводили направленную кристаллизацию полученного материала (давление кристаллизации составило 25,0 МПа). По окончании кристаллизации пресс-форму извлекали из пресса и производили ее разборку. Полученный металломатричный композиционный материал подвергали необходимой механической обработке. Из полученного материала изготавливали образцы для исследования остаточной пористости композиционного материала гидростатическим взвешиванием и методом оптической и электронной микроскопии. (Данные по пористости приведены в таблице).
ПРИМЕР 2. Получение композиционного материала на основе магниевой матрицы, армированной дискретным углеродным волокном с объемной долей армирования 60%.
Получение проводили по примеру 1, только пропитку осуществляли расплавом магниевого сплава (температура расплава 600°С) под слоем элегаза, препятствующего окислению расплава, при давлении пропитки 1,6 МПа, и давлении направленной кристаллизации 25,0 МПа.
ПРИМЕР 3. Получение композиционного материала на основе алюминиевой матрицы, армированной дискретным бескерновым волокном карбида кремния с объемной долей армирования 60%.
Получение проводили по примеру 1, только преформу готовили из бескернового волокна SiC, сборку под пропитку нагревали до температуры 500°С, а пропитку осуществляли расплавом алюминиевого сплава (температура расплава 800°С) при давлении пропитки 1,5 МПа, и давлении направленной кристаллизации 25,0 МПа.
ПРИМЕР 4 (по прототипу). Получение композиционного материала на основе алюминиевой матрицы, армированной дискретным углеродным волокном с объемной долей армирования 55%.
Углеродные волокна со средним диаметром 10 мкм и длиной 600 мкм перемешивали с 2% водной суспензией целлюлозного волокна. Из полученной водной волокнистой пульпы получали преформу методом вакуумного фильтрования. Затем преформу размещали в металлической форме и подвергали прессованию до получения степени объемного наполнения 55%. Затем волокнистую преформу нагревали в инертной атмосфере в герметичном оборудовании до 500°С в течение 1 часа, перемещали в форму для литья и заливали расплавом чистого алюминия при температуре 800°С. После того, как преформу выдерживали в расплаве, ее перемещали в форму пресса, прикладывали давление 20,0 МПа и удерживали до полной кристаллизации алюминия. После кристаллизации полученный композиционный материал подвергали окончательной механической обработке. Так как кристаллизация алюминия происходила в замкнутом объеме и шла от периферийных зон к центру, то усадка материала в замкнутом объеме композита приводила к образованию внутри материала распределенной усадочной пористости. Данные исследования полученных образцов приведены в таблице.
Как видно из таблицы, предложенный способ позволяет получить бездефектный композиционный материал, обладающий требуемыми эксплуатационными свойствами, такими как низкий удельный вес, высокая теплопроводность, низкий КТР и повышенная механическая прочность, при меньшем количестве стадий технологического цикла и при отсутствии герметизации оборудования, что позволяет существенно упростить технологический процесс и снизить стоимость получаемого материала.
Композиционные материалы на основе металлических матриц из легких сплавов, армированных дискретными волокнами, такими как волокна карбида кремния, углерода или графита, с высокой (более 50%) объемной долей, найдут применение в качестве теплоотводящих оснований изделий электронной техники и энергетических установок, работающих в условиях знакопеременных электрических и пульсирующих тепловых нагрузок взамен стремительно дорожающей меди и тяжелых металлов (медь обеспечивает хороший теплоотвод, но плохо работает в условиях пульсации температуры, тяжелые металлы лучше работают в условиях пульсирующего температурного потока, но имеют более низкую теплопроводность); композиционные материалы сочетают высокую теплопроводность и низкий КТЛР, что обеспечивает работоспособность теплоотводящего узла в условиях пульсирующего теплового потока в течение всего срока службы изделия.
Таблица
№примера
КМ по примеру 1
КМ по примеру 2
КМ по примеру 3
КМ по примеру 4 (прототип)
Al/60% C
Mg/60% C
Al/60% SiC
Al/55% C
Количество стадий технологического цикла
3
3
3
5
Использование
герметизации оборудования и специальной атмосферы
не требуется
не требуется
не требуется
необходимо
или вакуума
Остаточная пористость металломатричного композита, %
менее 1
менее 1
менее 1
10
Теплопроводность, Вт/м К
240
210
210
210
КТЛР, ×10<sup>-6</sup> град<sup>-1</sup>
8
9
9
10
Удельный вес, г/см<sup>3</sup>
2,1
1,65
2,97
2,4