Технічні науки / Машинобудування

Скачков В.О., Сергієнко С.С., Іванов В.І., Моісейко Ю.В.

Запорізька державна інженерна академія

Про нанесенНЯ електролітичних

покриттів на вуглецеві волокна

Вуглець-алюмінієві композити мають високу теплопровідність, міцність і зносостійкість, а також низьку щільність, що обумовлює їх застосування як фрикційних елементів вузлів тертя високоенергетичних пристроїв.

Найбільш ефективним методом одержання таких композитів є рідкофазове поєднання алюмінієвої матриці та вуглецевого волокнистого наповнювача, при якому відбувається хімічна взаємодія, яка за температури вище 873 К призводить до створення карбіду алюмінію. Карбід алюмінію знижує механічні характеристики вуглецевих волокон та адгезійні зв'язки на межі «волокно-матриця».

Для запобігання хімічній взаємодії на вуглецеві волокна наносять високотемпературні захисні покриття на основі міді, нікелю, хрому та інші. Застосуванням захисних покриттів, що прискорюють змочування волокнистого наповнювача розплавом матричного матеріалу, також сягають підвищення експлуатаційних характеристик даних композитів.

Вищезгаданим вимогам найповніше задовольняють мідні або хромові покриття, які є достатньо технологічними.

Експериментальні дослідження процесів електролітичного міднення та хромування проводили на вуглецевих волокнах УКН-6000, поданих у вигляді джгута, що складається з комплексу елементарних волокон.

Загальну площу поверхні елементарних волокон у джгуті визначають співвідношенням

, (1)

де М – маса вуглецевого джгута; r – середній радіус елементарного волокна; g – щільність вуглецевого волокна.

Процес хромування вуглецевих волокон проводили в електроліті наступного складу: 400 г/л Cr₃O₃; 12 г/л KF₂×H₂O. Температуру електроліту в процесі хромування додержували в діапазоні 20...30°С. Результати проведених досліджень подано в табл.1.

Таблиця 1 – Вплив параметрів процесу хромування на характеристики

захисних покриттів на вуглецевих волокнах

Катодний струм, А/дм^2	Напруга В	Тривалість процесу, с	Покриття
			товщина h×10^-3 мкм	коефіцієнт однорідності, k0
1,27	10	30	1,4	0,70
1,27	10	60	3,2	0,65
1,27	10	120	6,8	0,60
1,27	10	180	9,8	0,55
1,27	10	240	12,5	0,50
0,58	6	30	1,0	0,95
0,58	6	120	3,7	0,85
0,58	6	180	4,9	0,80
0,58	6	240	6,8	0,70
0,58	6	300	8,3	0,65

Найбільш найважливішим показником формування захисних покриттів на джгуті вуглецевих волокон є однорідність товщини покриття на елементарних волокнах, що знаходяться із зовнішнього боку та в центрі джгута.

Розподіл товщини покриття оцінюють коефіцієнтом однорідності k₀, що визначають як відношення товщини захисного покриття на поверхні елементарних волокон, що знаходиться в центрі та на зовнішній стороні джгута.

Як видно з табл.1, значення коефіцієнта однорідності зростає під час зниження щільності катодного струму та скорочення тривалості процесу.

Нанесення на вуглецеві волокна електролітичних мідних покриттів реалізовували в сульфатному електроліті. Склад електроліту вибирали з умови проведення процесу за температури 20...30°С: 200 г/л CuSO₄×5H₂O; 60  г/л  H₂SO₄; 50 г/л HCl. Як анод використовували електролітичну мідь.

Параметри процесу міднения вуглецевих волокон і характеристики захисного покриття подано в табл.2.

Таблиця 2 – Вплив параметрів процесу міднения на характеристики

захисних покриттів на вуглецевих волокнах

Катодний струм, А/дм^2	Напруга В	Тривалість процесу, с	Покриття
			товщина h×10^-3, мкм	коефіцієнт однорідності k0
0,30	2,1	60	11,5	0,60
0,30	2,1	120	23,2	0,60
0,30	2,1	180	25,0	0,50
0,15	0,6	60	3,6	0,90
0,15	0,6	120	11,5	0,90
0,15	0,6	180	15,2	0,80

Для мідних електролітичних покриттів значення коефіцієнта однорідності декілька нижче, ніж для хромованих покриттів. Збільшення коефіцієнта однорідності можливе змінюванням структури електроліту шляхом введення компонентів, що збільшують дифузійні характеристики.

Товщина як мідних, так і хромованих покриттів знаходиться в межах 1,0...25×10^-3 мкм, що цілком задовольняє умовам захисту вуглецевих волокон від хімічної взаємодії з розплавом алюмінію та забезпечення умов змочування й розтікання.

Для оцінки швидкості зростання електролітичного покриття на вуглецевих волокнах використовують рівняння

, (2)

де dm – збільшення маси електролітичного осаду на одиниці довжини волокна; ; r, h – щільність і товщина осаду відповідно: S - площа поверхні осадження; ; k₀ – константа швидкості осадження; j – щільність катодного електричного струму; t – тривалість процесу.

Після сумісного розгляду рівняння (2), а також співвідношень для dm і S, подальшого розділення змінних та інтегрування можна записати

. (3)

Для визначення константи швидкостей осадження покриття на вуглецеві волокна використовували дані, що наведено у табл.1 і 2.

Як результат подальшої обробки результатів експериментів встановлено, що значення константи рівноваги для нанесення мідних покриттів складає k₀ = 3,364×10^-2 г/(А×см×с), а для хромових покриттів k₀ = 3,364×10^-2 г/(А×см×с).