Упрочняющие волокна

Упрочняющие волокна, наиболее целесообразно использовать для армирования конструкционных материалов, в первую очередь металлов и полимеров для повышения их прочности и температуры плавления.

Требования к упрочняющим волокнам

Чтобы упрочняющие волокна хорошо справлялись со своими задачами, они должны удовлетворять ряду требований.

1. Высокая прочность. Это естественно. Если прочность арматуры меньше прочности матрицы, то композит тоже получится менее прочным, чем матрица, и основная задача армирования - повышение прочности - решена не будет.
2. Высокая температура плавления, чтобы их можно было ввести в металл. Технология армирования металлов предусматривает, как правило, нагрев матрицы либо до сверхплавильных, либо до предплавильных температур, и волокна при этом не должны терять своей прочности.
3. Высокий модуль упругости. Этот параметр определяет жесткость материала. Чем выше модуль упругости, тем меньше деформация материала под нагрузкой. Конструктор стремится сделать конструкцию максимально жесткой, поэтому в качестве арматуры нужны волокна с большим модулем упругости.
4. Волокна должны быть совместимы с матрицей. Это означает, что как в процессе получения композита, так и в процессе его работы волокна не должны растворяться в матрице, на их поверхности не должно происходить никаких реакций, приводящих к разупрочнению, потере вязкости, растрескиванию и прочим нежелательным результатам.

Кроме перечисленных, к материалу волокон предъявляются требования низкого удельного веса, химической стойкости, технологичности, доступности, низкой стоимости и т. д. и т. п. Конечно, очень трудно подобрать материалы, отвечающие всем этим требованиям. Приходится ограничиваться самыми главными. А самые главные - это первые четыре. Если они не будут удовлетворены, армирование потеряет смысл.

Природные (шерстяные, шелковые, хлопковые, льняные, джутовые и др.) и искусственные (нейлоновые, капроновые, лавсановые и др.) волокна, которые сегодня столь широко распространены, не удовлетворяют как минимум трем из этих четырех требований: они имеют низкую температуру плавления, низкий модуль упругости и не совместимы с металлическими матрицами.

Прочность их тоже не всегда достаточна. Поэтому для упрочнения металлов они не годятся. А вот борные, углеродные, карбидные, оксидные, нитридные волокна использовать можно. У них высокие прочность, температура плавления, модуль упругости.

Насчет совместимости с металлическими матрицами дело обстоит непросто, нельзя сказать, что все они подходят для армирования любого металла, но принципиальные предпосылки для подбора пар волокно - металлическая матрица имеются, и в ряде случаев такие пары удается реализовать на практике.

Закономерность для волокон

Существует закономерность, общая почти для всех волокон: чем меньше их диаметр, тем больше прочность. Если найти объяснение этой закономерности, то этим можно объяснить, почему материалы в виде тонких волокон прочнее, чем в виде массивных тел. Аналогичная закономерность наблюдалась и для нитевидных кристаллов.

Там в качестве одной из причин такого поведения называлось уменьшение плотности дислокаций с уменьшением толщины кристалла. Но для тех волокон, о которых мы ведем речь, такое объяснение не годится.

Они имеют либо поликристаллическое строение (волокна бора, карбида кремния, металлическая проволока), и плотность дислокаций в них практически такая же, как в массивных образцах, либо аморфное строение (например, стеклянные волокна), которое характеризуется полным отсутствием порядка в упаковке атомов.

В последнем случае говорить о дислокациях, как о нарушениях порядка, вообще не имеет смысла, а между тем прочность их все равно выше, чем у массивных образцов, и чем меньше диаметр волокон, тем она больше.

Изучение тонких волокон стекла

В 1920 году вопрос очень интересовал молодого сотрудника одного из авиационных центров Англии А. А. Гриффитса. По долгу службы он должен был изучать свойства материалов, представляющих интерес для самолетостроения. Стекло, конечно, не входило в их число. Слишком оно хрупкое и ненадежное.

Но именно стеклу Гриффитс уделял самое пристальное внимание, с ним он проводил бесконечные опыты, о нем думал в рабочее и нерабочее время. Все это, заметьте, втайне от начальства.

Сотрудникам центра полагалось заниматься реальными проблемами, имеющими непосредственное отношение к авиационной технике, а не витать в эмпиреях, думая о вещах совершенно бесполезных и никому не нужных. Да и если бы непосредственное начальство Гриффитса знало, что его исследования приведут к более глубокому пониманию процессов разрушения материалов и природы их прочности, оно все равно запретило бы ему ими заниматься.

Потому что чиновников, как правило, интересуют проблемы сиюминутные, от которых можно получить скорейший эффект, а реальную пользу от работ Гриффитса удалось получить спустя десятилетия. Работая со стеклом, Гриффитс обнаружил закономерность, чем тоньше диаметр испытываемых образцов, тем выше их прочность.

Когда диаметр образцов был в пределах 1-0,1 мм, прочность составляла 120-170 МПа, как у обычного листового стекла. Но если вытягивать более тонкие волокна, их прочность начинает резко увеличиваться. При диаметре ~2,5 мкм она достигает 6000 МПа.

Расчеты показали, что при еще меньших диаметрах прочность может превысить 10 000 МПа, т. е. вплотную приблизиться к теоретической прочности, которая для стекла составляет 14 000 МПа. Вот такой экспериментальный факт.

Стекло интересовало Гриффитса потому, что из него удобно делать тонкие волокна и известна его теоретическая прочность - было с чем сравнивать полученные результаты. Получается, что один и тот же материал в зависимости от размера испытываемых образцов может иметь значения прочности, отличающиеся почти в 100 раз.

Что же закономерно - низкая прочность толстых образцов или высокая - тонких? В чем причина столь различного поведения? И здесь мы опять сталкиваемся с уже встречавшейся ситуацией. Чтобы объяснить то, что не вписывается в рамки известного, нужно придумать модель, помогающую дать разумное объяснение.

Нужно пофантазировать, не заботясь на первых порах о том, чтобы все соответствовало существующим представлениям. Нужно выйти за рамки привычных рассуждений. Это и есть самое трудное в работе ученого. Человеческое мышление по своей природе консервативно, и немногим удается преодолеть этот консерватизм. Гриффитсу удалось.

Он смог понять,что высокая прочность тонких волокон естественна, именно она является характеристикой вещества, из которого эти волокна сделаны. А вот низкая прочность толстых волокон, как и обычных изделий из стекла, должна быть связана с чем-то, что мешает проявиться истинной прочности в полной мере.

Ученый сделал очень простое и в тоже время весьма смелое предположение: причиной низкой прочности является присутствие в стекле трещин. Что же здесь смелого, спросите вы. Естественное предположение. Нет, не естественное. Потому что, сколько Гриффитс ни пытался увидеть трещины, ему это не удалось. И тем не менее он взял на себя смелость утверждать, что они есть.

Он знал, что разупрочняющее влияние трещины зависит не только от ее длины, но и от остроты. А если говорить точнее, от отношения l/К, где l - длина трещины, К - радиус при ее вершине. Чем больше это отношение, тем сильнее концентрация напряжений вблизи трещины. Если представить ход рассуждений Гриффитса.

«Мне не удается увидеть в стеклянных волокнах трещины, - думал он. - Это может означать одно из двух: либо их там нет, либо они так малы, что даже в микроскоп я не могу их увидеть. Если принять первое предположение, то невозможно объяснить экспериментально установленную зависимость прочности волокон от диаметра. А если принять второе, то это, пожалуй, можно сделать. Я не вижу этих трещин в микроскоп, значит, если они существуют, то их длина должна быть порядка микрометра или меньше.

А каким же может быть их радиус при вершине? Говорить о трещине как таковой имеет смысл, когда ее ширина как минимум в несколько раз превышает межатомные расстояния. Пожалуй, минимальное значение К, которое представляется разумным,- где-то около 10

^-2

-10

^-3

мкм. Таким образом, даже если трещина имеет длину 1 мкм, то отношение l/К может составить 100-1000, а значит, такая невидимая трещина может приводить к 20-60-кратному повышению напряжений у ее вершины.

Этого вполне достаточно, чтобы дать о себе знать заметным разупрочнением материала. Если образец большой, в нем таких трещин может быть много. Чем меньше диаметр испытываемого образца, тем меньше вероятность того, что трещины попадут в него, поскольку они распределены в материале хаотически. Если образец совсем тонкий, скажем, диаметром 1 мкм, то в нем трещины микрометровой длины уже существовать не могут.

Действительно, если трещина имеет длину 1 мкм, то она просто разделит микрометровое волокно на две части и вместо одного длинного волокна с трещиной образуются два более коротких, но уже без трещины. Чем меньше диаметр волокна, тем меньше вероятность существования в нем трещин с большим отношением l/К., то есть самых опасных. Чем тоньше волокно, тем менее опасные трещины оно содержит, тем, следовательно, выше его прочность, измеряемая при испытаниях на растяжение».

Рассуждения Гриффитса оказались справедливыми. Предсказанные им трещины обнаружили в волокнах спустя четверть века, когда был усовершенствован метод микроскопического анализа. Располагаются они преимущественно на поверхности волокон.

Технология изготовления тонких волокон позволяет получать поверхности с малым количеством трещин, а в толстых этого добиться обычными методами сложно. Если очень постараться и создать у толстых волокон поверхность такого же качества, как у тонких, то и прочность у них будет высокой.

Так Гриффит ввел в материалы трещины. Это привело к развитию нового раздела в науке о прочности - механики разрушения.

Наиболее перспективные волокна

Краткие сведения о наиболее перспективных упрочняющих волокнах, применяемых при создании армированных композитов конструкционного назначения.

Стеклянные упрочняющие волокна

Стеклянные упрочняющие волокна используют в основном для армирования полимерных матриц. Композиты, состоящие из стеклянных волокон и полимера, называют стеклопластиками. Они имеют высокую прочность, но сравнительно низкий модуль упругости.

А если нужно создать композиты с высокой жесткостью, то в качестве арматуры используют углеродные или борные волокна. У них модуль Юнга в 4-6 раз выше, (подробнее: Армированные композиты) чем у стеклянных, а прочность примерно такая же. Сочетая эти волокна с полимерами, получают угле- и боропластики.

Органические упрочняющие волокна

В последние годы расширяется применение органических упрочняющих волокон в качестве арматуры для полимеров. Они сочетают высокую прочность с низким удельным весом. Композиты на полимерной основе, армированные органическими волокнами, называют органопластиками.

Органические волокна не пригодны для армирования металлов, они не допускают нагрева до высоких температур. Стеклянные тоже не очень приспособлены для этой цели из-за сравнительно низкой температуры плавления, низкого модуля упругости, плохой совместимости с большинством металлов.

Борные упрочняющие волокна

А вот борные упрочняющие волокна - весьма подходящий объект для получения армированных композитов на основе алюминия, магния и их сплавов. Прочность этих волокон доходит до 4000 МПа, а это в 6-8 раз выше, чем у лучших алюминиевых сплавов, (подробнее Черные и цветные металлы и их руды). Их модуль Юнга составляет 350-400 ГПа - в 5-6 раз выше, чем у алюминия.

Правильно построив технологию, можно избежать образования нежелательного взаимодействия между борными волокнами и алюминиевыми или магниевыми сплавами. Недостаток этих волокон - их высокая стоимость, но по мере расширения производства она будет уменьшаться.

Сейчас борные волокна изготовляют осаждением бора из его газообразных соединений (хлоридов, бромидов и др.) на нагретую током тончайшую вольфрамовую проволоку диаметром 12 мкм. В результате осаждения образуются волокна диаметром 100-140 мкм. Прочность определяется дефектами трех типов:

• поверхностными (трещины, неровности, наросты),
• объемными (включения крупных кристаллов бора),
• дефектами на поверхности раздела оболочки и сердцевины (трещины и пустоты).

Поверхностные дефекты можно устранить травлением, и тогда наблюдается прирост прочности. Количество объемных и межфазных дефектов можно уменьшить за счет правильного выбора технологического режима, но добиться их полного исчезновения обычно не удается.

По похожей технологии изготавливают волокна карбида кремния. Они немного тяжелее борных, имеют немного меньшую прочность при растяжении, но зато более устойчивы в расплавленных металлах, могут выдерживать более высокие температуры без заметного разупрочнения, обладают более высоким модулем Юнга.

Поэтому их тоже рассматривают как перспективный материал для армирования металлов.

Углеродные упрочняющие волокна

Большие надежды связываются с упрочняющими углеродными волокнами. И прочность у них достаточно высока (до 3500 МПа), и модуль упругости высок (250-420 ГПа), и температура плавления - выше не бывает, и плотность низкая (1,5 2 г/см ), и выпуск налажен, и цена на них не очень высока (во всяком случае, по сравнению с борными и карбидокремниевыми волокнами).

Для армирования полимеров - великолепный материал, и используется он для этой цели очень широко. А вот для упрочнения металлов применить эти волокна непросто. Они легко вступают в химические реакции с большинством металлов и потому плохо совместимы с ними.

Но в последнее время эту трудность преодолевают, нанося на углеродные волокна различные покрытия - металлические, из тугоплавких соединений и комбинированные. Покрытия препятствуют нежелательным химическим реакциям между волокнами и металлической матрицей.

Углеродные волокна получают из используемых в текстильной промышленности органических волокон - вискозных или полиакрилнитрильных. Они нагреваются в инертной атмосфере до высоких температур (1500-3000 К), и этого совершенно достаточно для их превращения в углеродные волокна.

Обычно в процессе нагрева производят натяжение нитей для создания ориентированной структуры.

Металлическая проволока

Для армирования металлов можно использовать и металлическую проволоку. Например, для алюминиевых сплавов - стальную проволоку, прочность которой может достигать 3000-4000 МПа; для никеля и его сплавов - проволоку из вольфрамовых сплавов и др.

А еще существуют волокна из оксидов алюминия, циркония, магния, бериллия, карбида бора, борида титана и других соединений.

Пока технология их получения не обеспечивает очень высокой прочности, но в будущем, вероятно, удастся получить сверхпрочные упрочняющие волокна из многих тугоплавких соединений, и тогда круг материалов для армирования композитов существенно расширится.