Технические науки / Отраслевое машиностроение

Скачков В.О., Іванов В.І., Іващенко А.Л., Мосейко Ю.В.

ОСОБЛИВОСТІ ОДЕРЖАННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ БОРУ

Запорізька державна інженерна академія

Довгомірні вироби на основі полімерних і алюмінієвих матриць одержують методом пультрузії. Проте вуглець-полімерні вироби мають низьку зсувну міцність та невисокий модуль пружності. Вуглець-алюмінієві вироби мають достатньо високі механічні характеристики та щільність 2,1 ± 0,1 г/см³. Такі характеристики цілком задовольняють більшості конструктивних вимог. Слід зазначити, що для ряду конструктивних вирішень потрібні композиційні матеріали з іншими характеристиками.

Виникає необхідність розробки композиційних матеріалів, які характеризуються щільністю не більше 1,8 г/см³ і працюють за умов високої температури, а також жорстких механічних і радіаційних навантажень.

Зазначеним вимогам задовольняють композиційні матеріали на основі бору, які мають щільність 1,75 ± 0,05 г/см³.

Існуючі технології виробництва композиційних матеріалів, що містять бор, засновано на одержанні борних ниток із подальшим додаванням матеріалу, який є в’яжучим. Осадження бору здійснюють на вольфрамових нитках шляхом розкладання хлориду бору згідно реакції:

. (1)

Властивості матеріалу, що одержують, суттєво залежать від умов проведення процесу, наявності сторонніх домішок і градієнта температури в реакторі, що не дозволяє одержувати нитки шириною поперечного перерізу більше ніж 200 мкм без стрибкоподібного зниження якості. Введення вольфраму збільшує щільність ниток та їх кінцеву собівартість через власну дорожнечу.

Застосування вуглецевих ниток замість вольфрамових дозволяє понизити собівартість продукції, але при цьому значно погіршується її якість, оскільки під час зростання борного волокна збільшуються розтягуючі напруження та за шириною більше ніж 22 мкм вуглецеве волокно починає руйнуватися, що призводить до одержання борних волокон із фрагментами вуглецевого волокна, розташованими у центральній частині.

Зниження напружень у борному волокні, що зростає, є можливим шляхом заміни хлориду бору на боран з подальшим травленням кислотами, тоді осадження бору відповідатиме рівнянню:

. (2)

Вся поверхня нагрітої волокнистої заготовки омивається бораном В₂Н₂, який дифундує до міжволоконного простору сформованої заготовки та, розкладаючись на нагрітих поверхнях, створює матрицю на основі піролітичного бору.

Проведення процесу за такої температури дозволяє обмежити утворення дефектів за рахунок кращого контролю градієнта температури в реакторі, а подальше травлення кислотами сприяє видаленню з поверхні сторонніх включень, що є джерелами руйнування.

Основними технологічними параметрами процесу є температура нагрівання заготовки, залишковий тиск у реакторі, швидкість подавання борану В₂Н₂ до реактора та швидкість протяжки щодо реактору заготовки довгомірного виробу.

Особливо важливою є температура нагрівання та рівномірність її розподілу за периметром і довжиною заготовки виробу. Високі температури обумовлюють значноблочну структуру осадженого бору. низькі температури значно знижують швидкість осадження бору. Значноблочна структура обумовлює зниження механічних характеристик, а зниження швидкості осадження бору призводить до геометричної нерівномірності товщини стінки виробу.

Найбільш важливою особливістю використання борану B₂H₂ є можливість одержання боровуглецевого композиційного матеріалу без застосування органічного в’яжучого та ряду проміжних стадій, за наявності яких властивості матеріалу погіршуються. Відсутність органічного в’яжучого дозволяє використовувати зазначені композиційні материалі не тільки в авіаційній промисловості, але і за умов жорстких радіаційних випромінювань.