Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

ім. І.М. Францевича

УДК 621.762: 621.763

НАУКОВІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ ПРОСТОРОВО-АРМОВАНИХ МЕТАЛЕВИМИ

СІТКАМИ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ З ПІДВИЩЕНИМ ОПОРОМ

МЕХАНІЧНИМ І ТЕРМІЧНИМ НАВАНТАЖЕННЯМ

05.02.01 - матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Вишняков Леон Романович

Київ - 2005

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, академік НАН України Скороход Валерій Володимирович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України, завідувач відділу, директор інституту

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Санін Анатолій Федорович, Дніпропетровський національний університет; кафедра "Технологія виробництва"

доктор технічних наук, професор Панасюк Алла Денисівна, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича, провідний науковий співробітник;

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Іщенко Анатолій Якович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділу фізико-металургійних процесів легких металів і сплавів.

Провідна організація: Український науково-дослідний інститут авіаційної технології Міністерства промислової політики України

Захист відбудеться 23.05. 2005 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.207.03 при Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича Національної академії наук України за адресою: 03680, м.Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім.І.М.Францевича НАН України.

Автореферат розісланий 31. 03. 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради доктор технічних наук Р.В. Мінакова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Композиційні матеріали (КМ) являють собою клас сучасних матеріалів, в яких створюють прогнозований комплекс властивостей за рахунок цілеспрямованого структуроутворення та застосування таких технологій формування виробів, що відповідають їх конкретному призначенню.

У ракетно-космічній та авіаційній галузях промисловості України, колишнього Радянського Союзу та світу знайшли застосування ерозійностійкі, теплозахисні, конструкційні та інші армовані волокнами КМ із полімерною, керамічною, вуглецевою і металевою матрицями. Надзвичайно широкий спектр КМ, необхідних для різних умов експлуатації, обумовив різну ступінь розвитку досліджень при створенні конкретних композитів. Проте актуальною для всіх груп композитів виявилась необхідність раціональної побудови структури матеріалів на основі врахування фізико-хімічної природи компонентів, розмірів, форми та властивостей армуючих і матричних фаз, здійснення контролю за структурною стабільністю в процесах формування та експлуатації.

У науковому плані композити розглядають як гетерофазні матеріали, що повинні мати програмовані структуру та властивості. Сучасний світовий етап розробки і досліджень армованих волокнами КМ характеризується підвищеними вимогами до певної організації армуючої структури, як за рахунок спеціально підготовлених волокнистих каркасів, що заповнюються матричним матеріалом, так і шляхом управління внутрішньою просторовою геометрією КМ безпосередньо у технологічних процесах їх виготовлення.

Вибір типу і способу переплетення волокон при виготовленні армуючих каркасів залежить, головним чином, від механічних властивостей волокон та їх спроможності до того чи іншого виду текстильної переробки. Важливе місце серед організованих армуючих елементів займають в'язані металеві сітки із заданою анізотропією властивостей, яка закладається, в першу чергу, типом переплетення волокон. В процесах виготовлення армованих сітками КМ суттєву роль грають взаємозв'язок між об'ємною макрогеометрією армуючого матеріалу та режимами компактування, а також деформаційні і фізико-хімічні закономірності еволюції армуючої фази і матриці.

Армуючі трикотажні сітки кулірних переплетень виготовляють на промислових в'язальних машинах, які були спеціально пристосовані для переробки в'язанням тонких металевих дротів діаметром 20150 мкм. В нашій країні металеві трикотажні сітки з вольфраму та молібдену вперше були запропоновані в Інституті проблем матеріалознавства НАН України для армування ерозійностійких КМ та виготовлення матеріалів транспіраційного призначення. Починаючи з середини 1960-х років, з використанням кулірних переплетень були створені сітки із найбільш простою структурою типу "гладь", які вперше знайшли застосування в КМ з матрицею на основі нікелю та міді і на яких відпрацьовувалася технологія ущільнення заготівок типу "сендвич". Поряд з сітками з тонких тугоплавких дротів були також одержані зразки сталевих сіток, включаючи сітки із структурою "ластик", зокрема для армування КМ з алюмінієвою матрицею. Ці пошукові роботи продемонстрували переваги сіток трикотажної структури щодо створення наперед заданої векторіальності властивостей у композиті. Проте системний підхід до реалізації в КМ програмованого комплексу експлуатаційних характеристик, наприклад об'ємності, підвищеної здатності до деформації, електропровідності, необхідних механічних характеристик, до постановки цієї роботи був відсутній.

Результати попередніх досліджень армованих сітками композитів, що були виконані також за участю автора дисертації, увійшли в довідник "Композиционные материалы", що вийшов в 1985р. у видавництві "Наукова думка" під редакцією д.т.н., професора Д.М.Карпіноса, і стали підґрунтям подальших досліджень за темою роботи.

Відомо, що в армованих КМ із порошковою матрицею найпривабливішою є реалізація просторової структури волокнистої арматури при зберіганні якомога більшої об'ємності, закладеної в металевих трикотажних сітках. Якщо застосувати металеві стрічки або плазмово-напилені на волокна матричні шари, ефект просторовості структури трикотажних сіток хоча і знижується, але корисний об'ємний рельєф сітки в матеріалі зберігається. Щоб створювати нові просторово-армовані металевими сітками композиційні матеріали на основі металевої і неметалевої матриць, необхідно дослідити процеси ущільнення матеріалу матриці спільно з сітчастими армуючими елементами, встановити взаємозв'язок між структурою і властивостями композитів та вивчити вплив просторового армування сітками на механізми дисипації енергії при механічних та термічних навантаженнях композитів.

В роботі розглянуто декілька важливих у практичному відношенні КМ - конструкційних, електродних, ущільнюючих, блискавкозахисних, - в яких використання армуючих металевих сіток дозволяє здійснити їх головне призначення за умов збереження просторової армуючої структури в матеріалах. У композитах із алюмінієвою матрицею армування сталевою сіткою або сталевою сіткою разом із волокнами бору (карбіду кремнію) дозволяє створити порошково-сітчасті та шарувато-волокнисті матеріали, в яких за рахунок використання тонких сталевих дротів можна реалізувати ефективні механізми гальмування руйнуючих тріщин, особливо при циклічних навантаженнях. Завдяки армуванню мідними сітками, що підвищують конструкційну міцність та забезпечують наскрізну електропровідність по товщині електродних стрічок, можливо створювати порошкові електродні матеріали на основі монохлориду міді для сучасних водоактивованих хімічних джерел струму. При отриманні ефективних ущільнюючих виробів з термічно-розширеного графіту металеві трикотажні сітки можуть стати необхідним конструктивно-технологічним елементом. За умов урахування взаємодії компонентів при високих температурах в композитах системи цирконієва матриця - вольфрамові (молібденові) сітки можна очікувати підвищення ресурсу роботи при термічних навантаженнях. Завдяки поверхневому армуванню мідними сітками в композитах із полімерною матрицею можна створити ефективний опір комплексній дії термічних і механічних навантажень внаслідок удару блискавки.

При виконанні дисертаційної роботи автором використаний великий досвід в області матеріалознавства армованих волокнами КМ, який було накопичено вітчизняною та світовою наукою на протязі майже 40 років. До цього досвіду слід віднести результати робіт, виконаних в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України за тематикою армованих волокнами композитів (І.М.Францевич, Д.М.Карпінос, Л.Й.Тучинський, Ю.Л. Пилиповський, А.Є.Рутковський, В.Х.Кадиров). Велике значення для створення підґрунтя роботи та трактування її результатів мали теоретичні та експериментальні дослідження, проведені в ІПМ НАН України у галузі порошкової металургії (В.В.Скороход, М.Б.Штерн, В.П.Каташинський), металургії волокна (А.Г.Косторнов), отримання та формування порошкових матеріалів (М.С.Ковальченко, Л.А.Позняк, К.О.Гогаєв), фізики міцності та структурних станів матеріалів (В.І.Трефілов, С.О.Фірстов, Ю.В.Мільман). Із виконаних в Україні досліджень в області композиційних матеріалів автор керувався також роботами у галузі матеріалознавства композитів з металевою матрицею (В.Р.Рябов, А.Я.Іщенко, Г.О.Кривов, В.А.Титов, В.М.Білецький, І.М.Ромашко, В.Є.Ольшанецький) і механіки композитів (Г.А.Ванін, Л.П.Хорошун, В.Є.Гайдачук). У роботі було використано досвід провідних науковців Росії (І.М.Фрідляндер, В.І.Костіков, К.І.Портной, М.Х.Шоршоров, Л.І.Устінов, С.Є.Салібеков, Б.А.Ареф'єв, В.Н.Анциферов, С.Т.Мілейко, Т.О.Чернишова та інш.), а також результати дослідження армованих волокнами композитів, накопичені у провідних організаціях та університетах Європи та США, наприклад в Інституті матеріалів та механіки машин Словацької академії наук, Дрексельському та Делаверському університетах США та інш.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати дисертаційної роботи були отримані при виконанні наступних наукових тем: 0.08.17.03.21М-МНТК "Создать и освоить в опытно-промышленных условиях производство армирующих элементов с регулируемой анизотропией свойств, армированных композиционных материалов и псевдосплавов конструкционного, электротехнического и триботехнического назначения". Раздел 3. "Разработка опытно-промышленной технологии объемно-армированных электродных и подшипниковых материалов" (№ ГР 01.88.0.035326); 1.6.2.16-91 "Дослідження процесів формування композиційних матеріалів функціонального призначення, армованих неорганічними волокнами" (№ДР 0103U 00 3758); 1.6.2.31-91 "Розробка нових композиційних матеріалів функціонального призначення з особливими (антифрикційними, фрикційними і електротехнічними) властивостями" (№ДР 01.90. 0058869); 1.6.2.77-91 "Дослідження впливу поверхнево- та хімічно- активних добавок на процеси рідкофазного формування порошкових та композиційних матеріалів та міжфазну взаємодію в високотемпературних системах" (№ДР 0193U 02 8760); 05.55.03/006-91 "Створення функціональних композиційних матеріалів на основі порошків, волокон і сітчастих структур для енергетики, засобів зв'язку та машинобудування, в тому числі з використанням відходів кольорових металів" (№ДР 0193U 03 4105); 1.6.2.71-93 "Фізико-хімічні та технологічні основи формування композитів на основі алюмінію, армованого базальтовими волокнами, оксидами алюмінію, вуглецем та іншими матеріалами" (№ДР 0193U 02 8758); 1.6.2.7-95 "Дослідження впливу мікро- та макрогеометрії фаз та їх фізико-хімічної природи і поверхонь розділу на властивості і структурну стабільність композиційних матеріалів конструкційного і функціонального призначення" (№ДР 0195U 024287); 1.6.2.11-97 "Композити на металевій матриці з вуглецевими, карбідними, оксидними та базальтовими наповнювачами. Розробка технологічних процесів їх виготовлення методами різкофазного спікання, просочення, вакуумно-компресійного просочення, плазмового напилення та просочення під дією тиску та електроструму та вивчення їх властивостей" (№ДР 01193U 01 7367); 05.05/02552-97 "Розробка технології армованих безазбестових ущільнень з терморозширеного графіту (ТРГ) та організація промислового виробництва" (№ДР 0198U 00 0007); 1.6.2.4-99 "Вуглецьмісткі композиційні матеріали: керування властивостями за рахунок цілеспрямованих структурних перетворень та спеціальних технологій" (№ДР 0199U 00 3801).

Ці та інші дослідження складають основу дисертації, автор якої на протязі ряду років є науковим керівником та відповідальним виконавцем згаданих робіт.

Мета роботи. Метою роботи було вирішення важливої науково-прикладної проблеми в галузі матеріалознавства - створення просторово-армованих металевими сітками композиційних матеріалів на основі металевої і неметалевої матриць, дослідження процесів ущільнення матеріалу матриці спільно з сітчастими армуючими елементами трикотажної структури, встановлення взаємозв'язку між структурою і властивостями композитів, вивчення впливу просторового армування сітками на механізм дисипації енергії при механічних та термічних навантаженнях.

Основні завдання досліджень.

Для досягнення поставленої мети необхідно було здійснити наступне:

Дослідити деформаційні властивості та пружні характеристики металевих трикотажних сіток із структурою кулірних переплетень типу "ластик" і "фанг" та визначити можливість урахування структури та характеристик сіток при створенні армованих ними композиційних матеріалів;

Розробити модель ущільнення листових композитів, в яких порошкова матриця армується металевими трикотажними сітками, та встановити зв'язок між робочими параметрами процесу ущільнення з пористістю матриці та характером розташування армуючих елементів в об'ємі композиційних матеріалів;

Розглянути вплив конструктивно-технологічних факторів на процеси отримання просторово армованих металевими сітками композитів з матрицями на основі алюмінію, монохлориду міді і термічно розширеного графіту з метою визначення ролі сітчастої арматури в підвищенні опору композитів до механічних та термічних навантажень;

Дослідити характер взаємодії армуючих фаз та матриці в композитах на прикладі систем цирконій-вольфрам (молібден) та визначити можливість їх практичного використання в умовах високих температур;

Вивчити та оптимізувати умови використання мідних трикотажних сіток, включаючи сітки з легкоплавким покриттям, як електропровідного компоненту в композитах з полімерною матрицею та створити поверхнево-армовані блискавкозахисні матеріали;

Розробити нові просторово-армовані металевими сітками композиційні матеріали, провести їх випробування, надати рекомендації щодо їх застосування у техніці.

Об'єктами дослідження є металеві сітчасті армуючі елементи трикотажної структури; армовані металевими сітками композити на основі порошкових матриць: алюмінію, монохлориду міді, терморозширеного графіту; армовані сітками шаруваті композити на основі цирконію (цирконій-вольфрам, цирконій-молібден); поверхнево-армовані сітками блискавкозахисні композити з полімерною матрицею.

Методи досліджень. Експериментальні роботи із створення металевих сіток виконували з використанням спеціалізованого в'язального обладнання, на якому було відпрацьовано виготовлення зразків сітчастих армуючих елементів. Отримання зразків армованих КМ здійснювалось на прокатних станах з пристроями для дозування порошкової матричної маси та транспортування армуючої сітки в зону деформації, а також з використанням прес-оснащення для холодного або гарячого пресування. Шарувато-волокнисті композити з алюмінієвою матрицею отримували шляхом гарячого пресування пакетів-заготівок, що збирають з шарів плазмово-напилених алюмінієм волокон бору або карбіду кремнію та сіток або порошково-сітчастих стрічок. КМ цирконій-вольфрам та цирконій-молібден одержували на установках дифузійного зварювання. Зразки блискавкозахисних КМ отримували в одному циклі виготовлення скло-та вуглепластикових панелей шляхом приформовки сіток до поверхні КМ. Мікро- та макроструктуру матеріалів досліджували методами металографії. Тонка структура армуючих та матричних фаз, їх взаємодія в процесах компактування КМ та вплив температурно-часових факторів вивчалися методами рентгенівського і мікрорентгеноспектрального аналізів та електронної мікроскопії. Електророзрядні характеристики об'ємно-армованих катодних матеріалів для водоактивованих хімічних джерел струму досліджували на спеціально створеній електрохімічній комірці. Ущільнюючі властивості КМ на основі ТРГ вимірювались за стандартними методиками. КМ Zr-W (Mo) в якості високотемпературних матеріалів випробували на плазмово-дуговому стенді, а зразки блискавкозахисних поверхнево-армованих матеріалів - на спеціалізованому стенді, де імітувалися розряди блискавки. Використовували також стандартні методи рентгенівської дефектоскопії, фрактографії, визначення фізико-механічних та теплофізичних властивостей матеріалів.

Наукова новизна роботи. З метою раціонального армування порошкових матриць теоретично обґрунтовано та експериментально встановлено взаємозв'язок між деформаційними властивостями та ефективними пружними характеристиками металевих сіток зі структурою кулірного трикотажу, що дозволяє оптимізувати геометрію та конструкційні елементи чарунки, включаючи діаметр, кількість дротів в джгуті та кут нахилу прямолінійних ділянок петлі.

Вперше запропоновано та обґрунтовано узагальнений підхід до розрахунків процесу ущільнення армованих металевими сітками композитів з порошковою матрицею, що дозволило, з одного боку, застосувати методи механіки суцільного середовища до всього осередку деформації, а з іншого боку, визначити структурні зміни в армуючій сітці та характер розташування її структурних елементів в композиті. З використанням методів макроскопічної механіки пористих середовищ розроблено модель процесу деформаційної консолідації просторово армованих металевими сітками композитів, яка ґрунтується на використанні відомих методів теорії пластичності пористих тіл, але враховує здатність податливої сітки вносити в'язкий елемент до процесу течії композиту, що ущільнюється. Вперше для листових просторово армованих композитів розраховано і експериментально досліджено параметри процесів пресування та прокатки, що забезпечують збереження вихідної структури сітки.

Вперше в процесах спільного ущільнення прокаткою металевої порошкової матриці та армуючих сіток експериментально встановлено взаємозв'язок рівня пружності сіток із закономірностями утворення зони ущільнення при прокатці за вертикальною схемою: при зростанні жорсткості сіток кут подачі порошку та кут прокатки можуть збільшуватися до двох разів.

Вперше теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено внесок матриці та армуючих волокон в процеси дисипації енергії в порошково-сітчастих та шарувато-волокнистих композитах на основі алюмінію, для чого запропонована розрахунково-експериментальна методика оцінки розсіювання енергії в композитах шляхом визначення їх демпфуючої спроможності.

Вперше експериментально встановлено, що за рахунок просторової структури та підвищеної теплопровідності сіток з вольфраму і молібдену в композитах з цирконієвою матрицею можна значно збільшити опір термічним навантаженням, зокрема, під дією електричної дуги.

Вперше показано, що в композитах із полімерною матрицею, які поверхнево армовані мідними трикотажними сітками, покритими легкоплавкими припоями, можна досягти ефективного розсіювання енергії блискавки за рахунок тепло- і електропровідності сітки, випаровування припою та релаксації механічного навантаження за рахунок макропереміщень петель сітки.

Практичне значення та реалізація отриманих результатів. Теоретичні та експериментальні дослідження, що виконано в роботі, знайшли застосування:

при розробці складу та структури сітчастих армуючих елементів різного призначення;

в технологічних процесах виготовлення напівфабрикатів, деталей та елементів конструкцій з композиційних матеріалів;

при створенні обладнання та організації дослідно-промислових і виробничих ділянок для виготовлення сітчастих армуючих елементів і композиційних матеріалів.

Результати досліджень, які були виконані за безпосередньої участі і під науковим керівництвом автора, були впроваджені при створенні дослідно-виробничої бази Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України з розробки металевих сітчастих армуючих елементів і композиційних матеріалів з матрицями на основі алюмінієвих сплавів, хімічних неорганічних сполук, терморозширеного графіту.

Результати виконаної роботи були перевірені в умовах промислового виробництва і впроваджені в таких галузях техніки і промисловості:

авіаційна - елементи захисту конструкцій від блискавки (АНТК "Антонов");

суднобудівництво і морська енергетика - струмопровідні полотна та електродні матеріали для хімічних джерел струму (ВАТ "Завод Уралелемент", м. Верхній Уфалей, Челябінська обл., Росія);

виробництво ущільнюючих графітових виробів (ВАТ "Заваллівський графітовий комбінат", Кіровоградська обл.);

енергетика - ущільнюючі армовані прокладки та сальники пароводяної арматури теплових мереж;

експлуатація автомобільного транспорту - ущільнюючі графітові прокладки двигунів внутрішнього згоряння.

Використання розроблених науково-технічних рішень забезпечило реалізацію підвищених техніко-економічних вимог до нових виробів, включаючи збільшення ресурсу роботи, зниження маси, заміну дорогоцінних та дефіцитних матеріалів, поліпшення екологічних умов та ін.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі наведено результати досліджень, що були виконані безпосередньо автором або під науковим керівництвом автора. Виконуючи керівництво колективом співробітників, автор формулював мету, завдання, розробляв методику, аналізував та узагальнював отримані результати. Матеріал дисертаційної роботи не містить ідей та розробок, що належать співавторам. Обґрунтування та постановка завдань дослідження, розробка методології та основних підходів для розв'язання поставленої проблеми, вивчення деформаційних та пружних властивостей армуючих сіток, оптимізація процесів ущільнення армованих КМ, зокрема, з матрицями на основі алюмінієвих порошків, порошкових мас на основі монохлориду міді та терморозширеного графіту, визначення взаємозв'язку конструктивно-технологічних факторів при отримані КМ виконані автором самостійно. Автору належить ідея додаткового армування композитів типу боралюмінію трикотажними сітками з метою підвищення опору КМ циклічним навантаженням, ідея використання в катодних КМ для водоактивованих джерел струму об'ємних мідних сіток трикотажної структури в якості армуючого струмовідводу, ідея створення армованих трикотажною сіткою ущільнюючих матеріалів на основі терморозширеного графіту та ідея виготовлення блискавкозахисних композитів з використанням сіток, покритих легкоплавкими припоями. Особисто автором сформульовано всі основні узагальнюючі положення та висновки дисертаційної роботи. За участі співавторів проведено ряд експериментальних робіт, розрахунків та досліджень, результати яких відображено в спільних публікаціях, поданих наприкінці автореферату.

Апробація результатів роботи. Матеріали, основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались і надруковані в збірниках докладів і матеріалів 20-ти міжнародних, всесоюзних, республіканських конференцій, симпозіумів, семінарів: Міжнародних науково-практичних конференціях "Композиционные материалы в промышленности" (Славполиком) (2004, 2003, 2002, 2001, м. Ялта, 1999, м. Київ), Міжнародній конференції "Advanced metallic materials" (5-7 листопада, 2003, м.Смоленіце, Словакія), Міжнародній науково-практичній конференції "Структурна релаксація у твердих тілах" (13-15 травня 2003р., м.Вінниця), Міжнародній конференції "Наука о материалах на рубеже веков: достижения и вызовы времени" (4-8 листопада 2002р., м.Київ), Міжнародній конференції "Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий" (2000, с.м.т.Кацівелі, АР Крим, 2002, 2004, с.м.т.Кацівелі-Понизовка, АР Крим), Міжнародній конференції "Перспективные материалы" АМ-99 (3-7-жовтня 1999р., м.Київ), І Міжнародний симпозіум "Передовые термические технологии и материалы" (22-26 вересня 1997р. с.м.т.Кацівелі, АР Крим), Міжнародній конференції "Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии" (РМ-97), (25-28 листопада 1997р., м.Київ), Міжнародний симпозіум "Композиты: механика разрушения и технологии" (22-25 вересня 1992р., м.Черноголовка, Росія), семінарі Європейської екологічної комісії ООН "Новые материалы и их применение в машиностроении" (13-16 жовтня 1992р., м.Київ), Московській Міжнародній конференції по композитам (МІСС-90), (14-16 листопада 1990р., м.Москва), Всесоюзній конференції "Механика и технология изделий из металлических и металлокерамических композиционных материалов" (27-30 червня 1989р., м.Волгоград, Росія), Міжгалузевій науково-технічній конференції "Композиционные материалы в изделиях машиностроения" (21-24 листопада 1989р., м.Реутово, Московська обл., Росія), VII Всесоюзній науково-технічній конференції "Горячее прессование в порошковой металлургии", (14-16 липня 1988р., м. Новочеркаськ), VI Всесоюзній науково-технічній конференції по композиційним матеріалам (13-15 жовтня 1987р., м.Єреван, м.Ленінакан, Вірменія), VI Міжнародному симпозіумі з композиційних металевих матеріалах (28-31 жовтня 1986р., Високі Татри- Стара Лесна, ЧССР).

Публікації за темою дисертації: Список із 34 основних праць наведено в авторефераті, з них без співавторів 9. Новизну отриманих результатів підтверджено 4 патентами України.

Перелік публікацій наведено наприкінці автореферату.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 6 глав, загальних висновків, списку використаних джерел з 203 найменувань та 10 додатків. Повний обсяг роботи складає 305 сторінок машинописного тексту, включаючи 49 таблиць та 104 рисунки.

просторовий армування сітка композит

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, подано загальну характеристику роботи, визначені та обґрунтовані головні напрямки дослідження, сформульовані основні питання, що виносяться на захист.

У першій главі розглянуто структуру та властивості металевих трикотажних сіток кулірних переплетінь, що використовуються як армуючі елементи наступних композиційних матеріалів (КМ):

КМ з алюмінієвою матрицею, які армують сітками з нержавіючої сталі, а також композити, де сталеві сітки є додатковими армуючими елементами до односпрямованих волокон бору або карбіду кремнію;

листові електродні матеріали на основі монохлориду міді (CuCl), в об'ємі та на поверхні яких мідна об'ємна сітка створює розгалужений каркас з виходами на обидві поверхні листа і одночасно зміцнює композит;

пористі стрічки з термічно розширеного графіту, в яких сітка виконує роль зміцнюючого каркасу, що не перешкоджає доущільненню матриці процесах формування та експлуатації армованих графітових виробів, наприклад, ущільнюючих кілець, сальників, прокладок;

шаруваті матеріали на основі фольги з цирконію, які армують сітками з вольфрамових або молібденових дротів, і призначають для високотемпературних застосувань;

композити з полімерною матрицею, що поверхнево-армована мідною трикотажною сіткою, яка виконує роль блискавкозахисного струмовідводу.

Незважаючи на різні сфери використання цих КМ, у структурному відношенні армовані матеріали, що розглянуто в роботі, мають багато спільного, оскільки вони репрезентують просторово-армовані КМ, в яких сітки функціонально забезпечують або сприяють забезпеченню названих вище застосувань. У процесах виготовлення вказаних груп КМ сітка є невід'ємним конструктивно-технологічним елементом, особливо для використання порошкової матриці, оскільки об`ємний сітчастий армуючий каркас збільшує несучу спроможність матеріалів, надає технологічну міцність на операціях ущільнення порошково-сітчастих заготівок та при подальшому виготовленні виробів з КМ.

На підставі результатів проведених в роботі експериментальних досліджень переробки в`язанням тонких металевих дротів розроблені практичні рекомендації з модернізації промислових в'язальних машин, що дозволило виготовляти металеві сітки трикотажної структури із сталі, міді, вольфраму, молібдену, нікелю та інших металів і сплавів та варіювати геометрією і властивостями сіток.

В дисертації досліджені закономірності поведінки сіток при механічних навантаженнях і зроблена оцінка деформаційних властивостей сіток та їх пружних характеристик. Відомо, що металеві сітки кулірних переплетень мають підвищену деформативність і здатність перерозподіляти навантаження за рахунок спроможності петельних чарунок до взаємних переміщень. В першій главі, зокрема, наведені результати експериментального визначення міцності, здатності до деформації у взаємозв'язку із складом та геометричними характеристиками сіток на основі нержавіючої сталі, міді, вольфраму та молібдену (тип переплетення, форма петель, кількість ниток в джгуті).

В роботі досліджені сітки зі структурами "ластик" та "фанг" (табл.1) в умовах плоскої схеми навантаження, яка є найбільш поширеною для попередньої викладки армуючих сіток на операціях об'єднання їх з матрицею, а також для процесів ущільнення методами прокатки або пресування напівфабрикатів та виробів з КМ. У цих процесах робочі навантаження прикладають перпендикулярно до площини сітки. Оскільки при цьому чарунки сітки займають розташування, наближене до плоского, петля сітки розглянута як гнучкий стрижень, що має кривизну в площині деформації.

Таблиця 1. Характеристики структури та міцність зразків металевих трикотажних сіток

Матеріал, марка	Тип переплетення	Діаметр дроту, мкм	Кількість дротів в джгуті, шт	Щільність розташування петель (на довжині 50 мм)	Маса 1м2, г	Товщина сітки, мм	Розривне навантаження, Н
				по горизонталі, Пг	по вертикалі, Пв			по горизонталі	по вертикалі
Сталь 03Х18Н10Т ТУ 14-1-1702-76	"Ластик 11"	32,0	2	22	27	62,5	1,15	18,7	93,2
		32,0	3	22	26	84,5	1,20	20,8	114,1
		30,0	5	22	32	123,6	1,50	42,4	146,7
		30,0	6	22	30	143,2	1,52	46,6	156,1
		30,0	10	22	28	246,0	1,86	84,1	195,4
	"Фанг"	30,0	5	20	23	192,8	1,60	49,7	163,5
		30,0	10	20	27	312,0	2,15	94,1	203,6
Мідь МТ ГОСТ 2112-79	"Ластик 11"	60,0	4	26	20	186	0,80	54,6	110,0
		100	2	25	13	280	1,10	90,5	165,5
Вольфрам ВА ТУ 48-9-45-67	"Гладь"	22,0	3	18	30	75	0,22	121,7	149,1
Молібден МЧ ТУ 48-9-45-67		50,0	3	31	20	125,0	0,43	144,7	210,6
Розривні навантаження визначалися за ГОСТ 8847-75 на зразках сіток розмірами 20050 мм

Для металевих сіток із структурою "ластик" у роботі розв'язано задачу визначення форми пружної лінії гнучкого стрижня, який має постійний

поперечний переріз і працює в області пружності.

В репрезентативному елементі - чарунці сітки - форма петлі трикотажу, що є періодичною лінією змінної кривизни, записується відносно кутової координати q:

, (1)

де q - кут між дотичною до вісі недеформованого стрижню петлі та віссю, спрямованої вздовж петельного ряду сітки; q - функція дуги S; - перпендикулярний до вісі напрямок вздовж петельних стовпчиків сітки.

Залежність координати y від довжини дуги S:

, (2)

де =1/4 довжини петлі; А- максимальне значення координати .

З рівнянь (1), (2) кут визначається виразом:

(3)

Для випадків розтягування сітки кулірного переплетення вздовж петельних стовпчиків та вздовж петельних рядів отримані системи диференційних рівнянь зі змінними коефіцієнтами з урахуванням діючих розтягуючих навантажень в площині сітки.

Важливою особливістю макрогеометрії петельних чарунок сіток із структурою "фанг" на відміну від структури "ластик" є прямолінійні ділянки (накиди петель), які утворюють регулярні ромбовидні структурні елементи. Завдяки цим ділянкам здатність до деформації сітки "фанг" в головних напрямках зменшується, а міцність сітки збільшується. Репрезентативний елемент сітки зі структурою "фанг" уявляють як сполучення зігнутих стрижнів, що характеризують петлю із структурою "ластик", разом з прямолінійними елементами, які розглядають як гнучкі стрижні малої жорсткості.

Проведеними розрахунками показано, що переміщення петлі сітки типу "фанг" можна визначити з урахуванням прогину прямолінійного стрижню за виразом:

,(4)

де l - довжина прямолінійної ділянки, j- кут нахилу прямолінійної ділянки по відношенню до напрямку петельних стовпчиків (), Р₀ - розтягуюче навантаження, EІ - жорсткість поперечного перерізу дроту, з якого виготовлена сітка.

На підставі результатів розрахунків для металевих сіток із структурою кулірних переплетень "ластик" і "фанг" можна визначити пружні деформації та модулі пружності сітчастого полотна, причому модулі пружності сіток зі структурою типу "фанг" обчислюють за правилом сумішей, як суму ефективних модулів криволінійних ділянок петель (подібно сіткам зі структурою "ластик") та прямолінійних ділянок у долях, що пропорційні їх довжинам у репрезентативному елементі сітки зі структурою "фанг".

На підставі розрахунків, виконаних за допомогою ЕОМ можна визначити форму пружної лінії петлі та переміщення структурних елементів сіток у залежності від прикладеного навантаження. Результати визначення ефективних модулів пружності металевих трикотажних сіток показують, що жорсткість сіток "ластик" у напрямку петельних стовпчиків тим більша, чим більше витягнута у цьому напрямку недеформована петля, і, навпаки, підвищення пологості петлі (більш широкі петлі) сприяє збільшенню жорсткості сітки у напрямку петельних рядів. Підвищенню жорсткості металевих сіток із структурою типу "ластик" сприяють також збільшення діаметру дротів, підвищення їх кількості у джгуті та більша щільність переплетення. Розрахунки ефективних модулів пружності металевих сіток із структурою "фанг" показують, що важливим фактором є кут ц та довжина прямолінійних ділянок в чарунці.

Порівняння результатів експериментальних досліджень при визначенні деформаційних і розривних властивостей сіток з характеристиками, отриманими за розрахунками, показали їх достатню наближеність, що дозволяє вважати розроблену методику розрахунку макрогеометрії сіток кулірних переплетень задовільною для проектування композитів, армованих цими сітками.

В другій главі розглянуто моделювання процесів ущільнення при отриманні композиційних порошково-сітчастих стрічок шляхом спільного компактування порошкової матриці і металевої трикотажної сітки. Структурний підхід до аналізу процесів обробки тиском та спікання армованих волокнами КМ, що був розвинутий у роботах Л.Й.Тучинського, Б.О.Ареф`єва, В.Ф.Мануйлова у 1980-ті роки, був оснований на умові існування в композиті макрооднорідного пружно-деформованого стану, а неоднорідність, пов'язана з армуючим волокном, мала місце тільки в середині репрезентативної комірки таких матеріалів. Складність відображення поведінки КМ при цьому підході дозволила отримати рішення тільки для обмеженого кола завдань. Проте структурний підхід добре зарекомендував себе у теорії малих пружних і пружно-пластичних деформацій.

Перспективним для розв'язання багатьох технологічних задач у порошковій металургії виявився феноменологічний підхід, який з успіхом розвивається у роботах В.В.Скорохода та М.Б.Штерна при аналізі процесів ущільнення композиційних матеріалів з гетерофазною структурою. Застосовуючи цей підхід при моделюванні процесів ущільнення армованих сітками композитів, використовують методи механіки суцільного анізотропного середовища.

В роботі проведено аналіз поведінки порошкової матриці та армуючої сітки в процесах спільної деформаційної консолідації порошково-сітчастої стрічки методом пресування та прокатки. Для КМ, армованих сітками із структурою "ластик", на підставі урахування спільної течії порошкової матриці і сітки в технологіях, де товщина сітки значно менша характерного осередку деформації, запропоновано загальний метод аналізу процесів ущільнення, в яких сітка впливає на пружно-деформований стан матриці. Моделювання ущільнення порошкової матриці, що армують сіткою, розглянуто в умовах плоскої деформації за припущенням, що сітка є ортотропною. При аналізі течії такого матеріалу виходили із того, що зв`язок між зусиллям, яке розтягує сітку в процесах спільного ущільнення, та відносним подовженням сітки відповідає конкретній структурі трикотажної сітки і матеріалу проволоки.

Шляхом спрощень, що ґрунтуються на геометрії осередку деформації, було отримано диференційне рівняння течії порошкової матриці в композиті:

,(5)

(6)

В рівняннях (5) та (6) r, - координати зони деформації в циліндричній системі координат; - відносна густина; - швидкість деформації; Р - навантаження, яке розтягує сітку в напрямку вісі r , при якому суттєвими стають деформації дротів сітки; - деформація при навантаженні Р=Р; - коефіцієнт в'язкості зсуву; - коефіцієнт об'ємної в'язкості. Для крайових умов: =_о ; =_о ; =_о ; = _о .

Приймаючи, що залежності і від відносної густини згідно з формулою В.В.Скорохода дорівнюють:

; (7)

та враховуючи відповідні крайові умови, можна визначити залежність зусиль, прикладених до сітки, від швидкості течії матеріалу матриці.

Важливу роль у виразі (5) грає параметр:

,(8)

який визначає вплив армуючої сітки на процес течії ущільнюваного композиту.

Згідно з розрахунками і завдяки побудові поля напружень, що відтворює залежність швидкості течії і щільності матеріалу вподовж осередку деформування, може бути визначений критичний розмір зони деформування r*, при якому настають незворотні деформації матеріалу сітки та можливе погіршення властивостей композиту.

Встановлено, що армування порошкової матриці металевими трикотажними сітками зі структурою типу "ластик" з високою деформативністю не справляє суттєвого впливу на деформований стан та щільність матриці в процесах ущільнення композиту. Це дозволяє досліджувати процес деформування матриці і сітки окремо: спочатку визначають поля усіх фізичних величин із розв'язку задачі про деформування порошкової матриці, а потім за допомогою певного співвідношення між деформацією сітки і навантаженням визначають поле швидкостей, щоб оцінити макрогеометрію сітки в отриманому композиті.

Для розрахунку процесів армування сітками з підвищеною жорсткістю та міцністю, якими є металеві трикотажні сітки із структурою "фанг" або структурою "ластик" зі збільшеною кількістю дротів в джгуті, був використаний феноменологічний підхід. Для анізотропних тіл, якими є армовані волокнами КМ, у роботі розроблено математичну модель сумісного компактування порошкової матриці і сіток, яка базується на дискретно-лінійній умові текучості.

Узагальнення умови текучості Треска на ущільнювані ортотропні матеріали, котре у просторі головних напружень має вигляд:

,(9)

де _і та _j- головні напруження, - середні напруження, _s - границя текучості при чистому зсуві пористого матеріалу, _s та P_s - відомі функції відносної густини та границі текучості матеріалу порошкової матриці, дозволило провести аналіз процесу формування анізотропних КМ для випадку, коли головні осі тензору напружень збігаються з головними віями анізотропії.

Для прокатки ущільнюваних композитів розглянуто рішення, особливістю якого є відповідність рівняння рівноваги обраному полю швидкостей та урахування анізотропії матеріалу. В запропонованій моделі матеріал армованого листа представлено квазіоднорідним ортотропним ущільнюваним середовищем. Припускається, що товщина листа суттєво менше довжини осередку деформації і значно менше ширини листа, а деформація вважається плоскою. З головних зон, які зазвичай виділяють на дузі контакту при прокатці - зони випередження, прилипання та відставання - вважається, що через малу товщину ущільнюваного листа, згідно з дослідженнями Г.А.Виноградова та В.П.Каташинського, ущільнення відбувається, головним чином, лише в зоні відставання. В розрахунках процесу ущільнення прокаткою композитів із порошковою матрицею за мету оптимізації взято отримання максимальної щільності прокату при зберіганні в КМ заданої вихідної структури армуючої сітки.

На основі розв'язку задачі про ущільнення тонкого шару ортотропного матеріалу було запропоновано рівняння, що визначає розподіл відносної густини по довжині осередку деформації в зоні відставання при прокатці:

, (10)

де r - полярний радіус, r - відносна густина, a і b - функції відносної густини r, що входять до умови текучості матеріалу матриці.

Між a і b існує наступне співвідношення:

,(11)

куди входить k - відношення границь текучості при одноосному стисненні у напряму прокатки і в напряму, перпендикулярному площині прокатки. Саме параметр k визначає тип анізотропії порошково-сітчастого матеріалу.

При ущільненні порошкової армованої заготівки в процесі її переміщення в осередку деформації необхідно, щоб . Для цього повинна виконуватися нерівність, що отримується з (10) з урахуванням (11):

(12)

Нерівність (12) показує, що максимальна густина, яка може бути досягнута при k<1 визначається виразом:

r* = (13)

У випадку коли k = 1 будемо мати r* = 1. Якщо представити вираз (10) з урахуванням (12) в наступній формі:

, (14)

можна зробити висновок про те, що для отримання якомога більшої густини композиту необхідно прагнути до збільшення значення k.

Щоб ефективно реалізувати високі значення k, потрібно врахувати анізотропію властивостей, яку закладають в КМ завдяки структурі армуючої сітки, і, в першу чергу, завдяки певній кількості петельних чарунок у напрямках петельних стовпчиків та петельних рядів. Задаючи певне відношення границь текучості матеріалу композиту в цих напрямках, можна з урахуванням (14) зробити висновок, що у випадку, коли k>1, для досягнення більшої густини слід прокатувати вздовж стовпчиків сітки, а при k1 - вздовж рядів. Використовуючи відомі функції густини для ізотропних ущільнюваних матеріалів (або значення границі текучості при зсуві компактного матеріалу), можна розрахувати значення границі текучості порошково-сітчастого композиту, що дозволяє визначити функції густини матриці вздовж зони ущільнення. Виконані розрахунки густини вздовж зони ущільнення композиту показали, що характеристики міцності та деформативності армуючих сіток впливають на раціональну схему армування і, відповідно, на властивості армованого сітками прокату.

На підтвердження теоретичного обґрунтування вибору умов ущільнення порошково-сітчастих композитів проведені експерименти зі спільної прокатки алюмінієвих порошків та сталевих сіток за схемою вертикальної прокатки. В технології порошкової прокатки ця схема реалізує сприятливі умови гравітаційної подачі порошку в зону деформування та отримання більш щільного прокату. Експериментами встановлено, що для спільної прокатки порошкової матриці з сіткою принципово можуть бути застосовані співвідношення запропоновані В.П.Каташинським, які визначають параметри процесу накатки порошків на суцільну металеву пластину в залежності від фізико-технологічних властивостей порошку та умов ущільнення.

Аналіз одержаних у роботі результатів досліджень дозволив встановити, що для розрахунку граничного кута подачі порошку до зони деформації з використанням значень кута зовнішнього тертя пари порошок-валок (_н) і кута внутрішнього тертя порошку матриці (_в), слід користуватися наступним співвідношенням:

,(15)

де x=(1-sin_в)/(1+sin_в) - коефіцієнт бокового тиску; К - коефіцієнт, який характеризує тип армуючого сітчастого елементу.

Встановлено, що для жорсткої сітки з низькою податливістю, яка наближена до тканих сіток, К дорівнює 2, а для армування сітками з дуже високою податливістю К наближається до 1. Підвищення жорсткості та зниження податливості за рахунок використання сіток кулірного переплетення зі структурою "фанг" або зі структурою "ластик" (зі збільшеною кількістю дротів у петельній чарунці) підвищує розмір зони деформації, а коефіцієнт К визначається експериментальним шляхом в межах 1<K<2.

Кут прокатки армованих сітками композитів можна розраховувати за відомим співвідношенням:

,(16)

де b - кут нахилу лінії ковзання у порошку, що дорівнює:

b=arcctgx-_в;

параметр

визначається з геометричних співвідношень зони деформації; R - радіус валків, h_л - товщина прокату.

Експериментальне дослідження процесу ущільнення на прикладі порошку алюмінію марки ПА-3, армованого сталевими трикотажними сітками, показало, що для композитів існують наступні особливості спільної прокатки за вертикальною схемою. Наявність трикотажної сітки з підвищеною жорсткістю суттєво впливає на геометрію зони ущільнення: для сіток із структурою "ластик" з кількістю дротів у джгуті 5-10 шт. та вище або сіток із структурою "фанг" довжина зони ущільнення значно збільшується (до 2-3 разів). Це пояснюється тим, що введення сітки інтенсифікує захват валками порошку матриці за рахунок створюваного сіткою силового напору в порошку. Проте для сіток із підвищеною податливістю (типу "ластик" з кількістю дротів у джгуті до 3 шт.) зона деформації практично не змінюється порівняно з ущільненням неармованої матриці.

Зростання товщини і густини прокату при армуванні більш жорсткою сіткою є наслідком збільшення зони ущільнення, що визначається кутом прокатки _р. В результаті досягнутої зміни форми зони ущільнення і збільшення напруження вздовж напрямку прокатки, що діє на порошок у

верхній частині цієї зони, граничний кут подачі порошку і кут прокатки _р, який визначали

за епюрами контактних напружень за допомогою точкових месдоз, збільшуються у 1,1 - 1,8 рази.

Армування порошкової стрічки сіткою за рахунок зростання кута прокатки дозволяє також значно збільшити товщину прокатаних стрічок і, що дуже суттєво, збільшити пористість прокату.

Можливість отримання стрічок із збільшеним рівнем пористості за рахунок армування сітками, визначається двома факторами: по-перше, сітка в зоні деформації зменшує розвиток деформації витягування (вздовж прокатки), що призводить до збільшення напружень стиснення порошку в цьому напрямку, а по-друге, сітка зміцнює прокатану стрічку і тим самим збільшує несучу спроможність пористого порошкового прокату.

Максимальна пористість, яка була отримана із застосуванням армуючих сіток для КМ алюмінієвий порошок - сталева трикотажна сітка, склала 68%. Якщо при прокатці алюмінієвого порошку без сітки значення коефіцієнту витягування дорівнює 1,4-1,45, то завдяки впливу армуючої сітки цей коефіцієнт знижується до 1,05-1,12, що сприяє одержанню якісних армованих стрічок.

Таким чином, завдяки виконаним розрахункам досліджено вплив деформаційних та пружних характеристик армуючих металевих сіток із структурою трикотажу на процеси спільного ущільнення порошку матриці разом із сіткою. Експерименти за схемою вертикальної прокатки підтвердили практичну можливість шляхом армування сітками порошкової матриці отримувати порошково-сітчасті стрічки з потрібною пористістю і макрогеометрією для подальшого використання в композитах різного призначення.

У третій главі наведено результати експериментальних досліджень при створенні порошково-сітчастих та шарувато-волокнистих композитів з алюмінієвою матрицею. Показано, що в КМ на основі алюмінію та алюмінієвих сплавів, які армовано сітками з нержавіючої сталі, вдається реалізувати переваги об'ємної структури металевого трикотажу та здатність запобігати руйнуванню сталевих дротів в процесах отримання КМ. Просторову структуру в КМ з алюмінієвою матрицею створюють на операціях об'єднання сіток з матричними порошками і подальшого ущільнення пористих заготівок. Режими ущільнення заготівок КМ методами холодного пресування та спікання або гарячого пресування призначають із врахуванням можливості реакцій взаємодії стальних дротів та алюмінієвої матриці.

Експериментальні дослідження проводили з використанням порошку алюмінію ПА-3 з формою частинок, близької до сферичної, дисперсністю 40-100 мкм. В заготівках КМ об'ємний вміст сталевого дроту від 5 до 15% задавали різною кількістю шарів сітки.

Композити отримували за двома технологічними схемами. Згідно з першою схемою сітки чередували з відповідними порціями алюмінієвого порошку. Зібрані в такий спосіб заготівки пресували на гідравлічному пресі та спікали у вакуумній печі при залишковому тиску 3,2Ч10^-2 Па в інтервалі температур 673-813 К. В результаті випробування механічних властивостей зразків КМ, одержаних за цією технологічною схемою, встановлено, що армування алюмінієвої матриці сталевою трикотажною сіткою істотно збільшує ударну в'язкість і демпфуючу здатність КМ (табл.2). Це пояснюється утворенням об'ємної гетерогенної структури, яка сприяє відхиленню виникаючих тріщин та ефективному розсіюванню енергії при мікро- та макророзшаруваннях композиту. Проте взаємодія фаз на межі сталевий дріт-алюмінієва матриця, що виникає при спіканні за температурою вище 813 К супроводжується утворенням крихких інтерметалідів типу Fe_nAl_m, спичиняє до зниження міцності і модуля пружності в порівнянні з неармованою матрицею.