8.2. Методи отримання волоконта вусів

Для отримання армованих волоконних композиційних матеріалів використовують:

1) дріт з вуглецевих і легованих сталей, вольфраму, молібдену, берилію, титану, ніобію та ін;

2) волокна бору, карбіду силіцію, борсика, а також органічні, вуглецеві, скляні й керамічні волокна;

3) ниткоподібні кристали.

Широко застосовують як зміцнювачі металевий дріт, що має добру технологічність, відносно низьку вартість, високі міцність і пластичність. При цьому необхідні властивості використовуваного дроту на основі заліза легко досягають звичними методами термообробки.

Властивості дроту з вуглецевих сталей залежать від умісту вуглецю і виду термообробки. Високі міцнісні властивості має дріт, підданий термообробці — патентуванню, яке проводять перед волочінням. Вона полягає в нагріванні заготівки до 860...940 °С, витримці і ступінчастому охолоджуванні в соляних ваннах за температури 410...550 °С, а потім – на повітрі чи у воді. Унаслідок отримують структуру матеріалу у вигляді тонкопластинчастого перлиту, який після холодного волочіння деформується і зміцнюється. Такою обробкою досягається гранична міцність дроту 2800...3000 МПа.

Підвищують міцність вуглецевих сталей методом електротермічної обробки, яка полягає в швидкому нагріванні (400 °С/с) до аустенітного стану, деформацією в спеціальних пристроях (рівчакових калібрах), охолоджуванні на повітрі і холодному волочінні. Швидке нагрівання зумовлює неоднорідність структури за вуглецем. Тому в разі деформації і охолодження пластини цементиту напрямлено виділяються в основі фериту. Холодне волочіння орієнтує їх уздовж осі дроту. Таким чином, отримують матеріал з феритною основою, армованою пластинами цементиту, що забезпечує 20...30 % приросту міцності сталі У8А. Недолік вуглецевих дротів — відносно низькі робочі температури (до 250 °С).

Дріт з неіржавійних сталей також одержують волочінням заготівок за підвищених температур. Перевага цих дротів – поєднання високих міцнісних властивостей з високими пластичністю і корозійною стійкістю. Крім того, залежно від умісту легувальних елементів і виду обробки можна одержувати дріт з різними структурами (аустенітною, аустенітно-мартенситною і мартенситною), а отже, і в широких межах регулювати його міцність та пластичність. Сталями аустенітного класу є сталі Х18Н9Т, Х18Н10Т, аустенітно-мартенситного — 2Х15Н5АМЗ і мартенситного — 3X13, 4X13.

Високу міцність мають дроти з мартенситно-старіючих сталей. Особливістю цих сталей є висока пластичність у холодному стані в разі гартування їх від температур аустенізації. Обробка холодом аустенітну структуру перетворює в мартенситну, що супроводжується підвищенням твердості та міцності. Завершальний етап у технологічному процесі — старіння, яке проводять нагріванням до температури 450—500 °С протягом 4—6 год. Інтерметалеві сполуки, що виділяються у процесі старіння, сприяють підвищенню міцності сталі. Здатність мартенситно-старіючих сталей зміцнюватися під час нагрівання дозволяє одержувати високоміцні композиційні матеріали. Це пов’язано з тим, що технологія виготовлення композиційних матеріалів передбачає нагрівання композицій до температур 300...600 °С. При цьому дріт з інших сталей стає менш міцним, а мартенситно-старіюча сталь підвищує міцність до 3500...4000 МПа. Дріт з вольфраму і молібдену характеризується високими міцнісними властивостями і модулем пружності, які зберігаються в умовах підвищених температур. Для підвищення тривалої міцності й повзучості за підвищених температур вольфрам і молібден легують кремнелуговими присадками, оксидом торію, ренієм і т. ін. За температури 1100 °С найвищу тривалу міцність має дріт вольфраморенієвого сплаву ВР-20, а за 1200 °С — вольфрам з домішками оксиду торію ВТ-15.

Для виготовлення композиційних матеріалів з низькою густиною застосовують дріт берилію. За густини 1,850 г/см³ вона має високу міцність і модуль пружності. Межа міцності на розтягування дроту берилію перетином 127 і 51 мкм становить відповідно 1336 і 1455 МПа, а межа текучості — 1055 і 130 МПа.

Дріт з титану, ніобію і біметалів у композиційних матеріалах застосовують обмежено через складність їх виготовлення традиційними методами.

Дріт, з якого потім отримують дискретні волокна, можна одержувати методами протягання й волочіння. Для отримання волокон одержаний таким чином дріт переробляють у джгути, які на спеціальних різальних машинах гільйотинного типу за допомогою спеціальних пристроїв ( рис. 8.1) розрізають на шматки потрібної довжини. Жгути з дроту 1 за допомогою валків 3 та напрямних фільєр 2 подають у зону різання, де за допомогою рухомого повзуна (ножа) розрізають на шматки потрібної довжини, які регулюють швидкістю подачі джгута в зону різання.

Металеві волокна можна також отримувати у вигляді стружки завдовжки до 30 мм неправильної (близькою до трикутної) форми у перетині. Для цього можна використовувати метод шевінгування (шабрування) дроту або заготівок у вигляді брусків, листів, круглого прокату на спеціальних протяжних, фрезерних або токарних верстатах з використанням багатолезового інструменту, наприклад шестерень з евольвентним профілем зубів. Поверхня таких волокон (у вигляді «шерсті») шорстка із задирками, що надає їм перевагу над волокнами, які отримують з тягового дроту з гладкою поверхнею. Шорстка поверхня поліпшує зчеплення волокон з матеріалом матриці, попереджує сегрегацію під час приготування вихідної шихти та ін.

Рис. 8.1. Схема пристрою для різання дроту на мірні волокна:

1 – жгут з дроту; 2 – напрямні фільєри; 3 – тягові валики;

4 – нерухома частина гільйотини; 5 – ніж (повзун); 6 – шатун;

7 – шків вала редуктора (кривошип); 8–11 – механізм

шарнірно-храпової передачі руху від кривошипа ведучого валика

Волокна також можна виготовляти безпосередньо з розплавів з отриманням дроту або без.

Найбільш економні й продуктивні методи отримання волокон безперервної екструзії з розплавів. Схему установки для реалізації такого процесу показано на рис. 8.2.

Матеріал, з якого виготовляють волокно, у розплавленому стані подається через штуцер 1 в конічну посудину з нагрівальними елементами 2, сполучений з плавильним пристроєм. Під тиском газу, що подається через штуцер 9, розплав продавлюється через отвори сопел 3 в камеру 6, заповнену охолодженим повітрям або інертним газом. Газ подається через трубки 4 за допомогою регулювальних вентилів 5. Проходячи через камеру 6 волокно твердіє і потрапляє в бункер 8. Для забезпечення необхідної циркуляції охолоджувального газу є витяжна парасолька 7. Гази в охолоджувальний пристрій для їх повторного використання в камері 6 потрапляють через штуцери 10.

Рис. 8.2. Схема установки для екструзії безперервних металевих волокон з розплаву

Для отримання волокон заданої довжини можна використовувати установки (рис. 8.3), які працюють за принципом ежекції розплавленого металу. У такій установці розплавлений метал з плавильного пристрою 1 подають в ежектор 3, за допомогою якого витісняється безперервним струменем 5 через фільєру 4 і охолоджується потужним струменем газу (повітря, аргону, азоту та ін.) залежно від допустимого ступеня його взаємодії з розплавом металу. Довжину волокон регулюють властивостями розплаву (в’язкістю, поверхневим натягом), енергетичними параметрами газового струменя та швидкостями подачі розплаву металу за допомогою вентиля 2.

Рис. 8.3. Схема ежекційної установки для отримання металевих

волокон з розплавів: 1 – ежектор; 2 – вентиль для регулювання швидкості

подачі розплаву; 3 – плавильний пристрій; 4 – фільєра; 5 – струмінь

розплавленого металу; 6 – газове сопло

Для отримання волокон розплавів використовують установку (рис. 8.4), яка складається з циліндричної посудини із захисною футерівкою для розплавленого металу, через кришку якої проходять дві трубки діаметром 25 мм. Одна з трубок призначена для подачі газу, наприклад азоту, на поверхню розплавленого металу. Друга трубка має на кінці сопло з отворами, рівномірно розподіленими по концентричних колах. Її призначено для видавлювання (екструзії) металу. Розплавлений метал витісняється через отвори сопла тиском, створюваним над його поверхнею стисненим газом. На такій установці можна одержати волокна різних металів і сплавів: алюмінію, олова, свинцю, міді, бронзи, латуні і т. ін. Для отримання волокон алюмінію температура розплаву має становити 700...750 °С, олова – 400 °С. Оптимальний діаметр отворів у соплі для екструдування алюмінію дорівнює 60...80 мкм, тиск стисненого азоту на поверхню розплаву – не менше 0,6 МПа. Для видавлювання олова унаслідок його більшої густини тиск газу над розплавом має бути ще більшим.

Одержані розглянутим методом волокна мають хвилеподібну форму. Їх довжина становить від десятих часток до десятків міліметрів за діаметра 50...90 мкм. Такі волокна вирізняються нерівномірністю перетину по довжині, наявністю місцевих потовщень, що сприяє отриманню кращого зчеплення у подальшому їх використанні.

Рис. 8.4. Схема установки для отримання волокон з розплаву металу

методом видавлювання: 1 – ємкість з футерівкою; 2 – розплав металу;

3 – електричний нагрівник; 4 – трубка для подачі азоту; 5 – трубка

для видавлювання рідкого металу; 6 – сопло з отворами

У разі отримання волокон алюмінію під час екструзії на їх поверхні створюється оксидний шар, що треба брати до уваги під час їх використання. При цьому загальний вміст оксиду, який вноситься в композиційний матеріал з волокнами, значно менший, ніж з використанням порошків алюмінію. Це зумовлено тим, що поверхня волокон на 30% менша від поверхні порошків сферичної форми і такого ж діаметра.

Метод отримання волокон екструдуванням розплавів через отвори високопродуктивний: так за швидкості видавлювання 1 м/с з 28 отворів у соплі максимальна продуктивність установки становить 1000 кг/рік.

Для отримання дискретних волокон використовують установки

(рис. 8.5), принципом дії яких є центрифугування розплавів. Основний вузол установки – охолоджувальний диск-кристалізатор з полірованою внутрішньою поверхнею 6, який розміщений на основі 9 і обертається за допомогою електродвигуна 8. На його поверхню з плавильного пристрою 1 через кран 2 за допомогою ежекторної трубки 4 подається струмінь розплаву металу чи сплаву під тиском, який створюється механічно або гідравлічно. За рахунок відцентрових сил розплав диспергується з формуванням дискретних волокон діаметром 4...75 мкм. Довжину та діаметр волокон регулюють змінюванням властивостей розплавів, діаметра струменя розплаву та швидкості обертання диска- кристалізатора.

Волокна у вигляді луски можна отримувати методом швидкісного затвердіння розплавів. Сутність цього методу полягає у виділенні (екстракції) з розплаву обмежених об’ємів металу, що миттєво затвердівають на переривчастій кромці мідного диска, який швидко обертається, у контакті з поверхнею розплаву (рис. 8.6). Надаючи робочій кромці диска різної форми, можна отримувати з розплаву частинки волокна лускової форми, голчаті частинки і т. ін.

Рис. 8.5. Схема установки для отримання металевих волокон методом

центрифугування

Розрізняють три стадії процесу формування частинок:

1. затвердіння металу на кромці швидкообертового диска;

2. охолоджування шару металу, включаючи кристалізацію мікрооб’єму розплаву, захопленого поверхнею диску з ванни;

3. відокремлення частинки від кромки диска і її охолодження.

Швидкість охолодження на перших двох стадіях – 10⁶... 10⁸ °С/с, а на третій – до 10³ °С/с. Товщина металу h, який захоплюється з розплаву (рис. 8.6), визначається глибиною затвердіння розплаву на кромці за час перебування її в розплаві h₁ і товщиною примежового шару розплаву , який захоплюється затверділим шаром:

,

де –коефіцієнт теплопередачі; –перепад температур між диском і затверділим розплавом; – теплота кристалізації; R – радіус диска;

–кут контакту диска з розплавом; – лінійна швидкість переміщення кромки диска відносно поверхні розплаву; – кінематична в’язкість розплаву;

.

У загальному випадку ,

де К — коефіцієнт, визначуваний природою металу і конструкцією швид-

кообертового диска.

Рис. 8.6. Принципова схема отримання волокон методом швидкісного затвердіння

Процес екстракції з розплаву може здійснюватися на повітрі, наприклад, для отримання порошків алюмінію, коли затверділий метал витягується з-під захисної плівки оксидів, утвореної на поверхні ванни розплаву, а також в інертній атмосфері або вакуумі.

На практиці отримання волокнистих композиційних виробів широкого застосування набули неметалеві волокна та «вуса». Для цього можна використовувати волокна бору, карбіду силіцію і борсика, що зумовлено їх низькою густиною, високою міцністю (2500...4000 МПа), модулем пружності (385500 МПа) і температурою плавлення. Із підвищенням температури міцність волокон зменшується (рис. 8.7). При цьому швидкість знеміцнення залежить від середовища, у якому провадять нагрівання. Особливо висока швидкість знеміцнення волокон бору під час нагрівання на повітрі, що пов’язано з утворенням борного ангідриду і зменшенням ефективного перерізу волокна.

Рис. 8.7. Зміна міцності волокон залежно від температури випробувань:

1 – бор; 2 – борсик; 3 – карбід силіцію

Волокна бору та карбіду силіцію перетином до 150 мкм одержують осадженням їх з газової фази на нагрітий до 1100...1200 °С прямим пропусканням струму вольфрамовий дріт перетином 12,5 мкм у двокамерній печі. У першій камері відбувається дегазація і знежирення дроту, в другій — осадження з газової суміші бору або карбіду силіцію. Співвідношення компонентів у газовій суміші залежить від діаметра одержуваного волокна, діаметра вольфрамового дроту і розмірів реакційної камери.

Волокна бору також можна одержати відновленням тетрахлориду бору воднем за реакцією

BCl₃ + 3H₂ = 2B + 6HCl .

Унаслідок взаємодії осадового бору з вольфрамом склад волокна змінюється по перетину дроту від поверхні до середини:

B – WB₄ – W₂B₅ – WB .

Для тривалого нагрівання серцевина складається здебільшого з WB₄. Така нерівномірність фазового складу по перетину волокна призводить до виникнення в серцевині стискальних напружень, а на поверхні – розтягувальних.

Для осадження карбіду силіцію як початкову використовують парогазову суміш метилтрихлорсилану СН₃SiС1₃, аргону і водню. Карбід силіцію утворюється за сумарною реакцією

CH₃SiCl₃ = SiC + 3HCl.

У промисловому масштабі освоєно випуск волокон карбіду силіцію перетином 100 мкм і міцністю 3...4 ГПа.

Карбід силіцію шаром завтовшки 3...5 мкм наносять також на волокна бору для підвищення їх жароміцності і запобігання взаємодії з деякими металевими матрицями, наприклад з алюмінієм. Одержувані таким чином волокна називаються борсиком. За підвищених температур на повітрі міцність волокон борсика значно вища, ніж бору. Наносять карбід силіцію на волокна бору за такою ж схемою, як і для отримання волокон карбіду силіцію.

Для створення композиційних матеріалів часто використовують органічні волокна, які мають високі міцність і жорсткість завдяки витягнутим уздовж осі волокон макромолекулам полімеру. Найвищі міцнісні показники мають волокна полібензамідів і поліамідгідразидів і зберігають їх за підвищених температур. Поліпіромелітимідне волокно «аримід», міцність якого 500 МПа і відносне подовження на розрив 8...12 %, після витримки за температури 300 °С зберігає 74 % початкової міцності, а за температури 400 °С – 35 %. Усі вживані органічні волокна стійкі до дії кислот, лугів і органічних розчинників.

Більшість органічних волокон одержують продавлюванням розплавів або розчинів полімерів через тонкі отвори з подальшим затвердінням витікаючих рідких струменів. Затвердіння може відбуватися в результаті охолодження або випаровування розчинника.

Як армувальну фазу композиційних матеріалів також застосовують волокна вуглецю, які мають високу міцність і модуль пружності, низьку густину і за питомою міцністю перевершують усі жаростійкі волокна. Так, високоміцні волокна вуглецю мають межу міцності на розтягування 2500...3500 МПа і модуль пружності 200...700 МПа за густини 1,600...1,800 г/см³, а також високі теплостійкість і електрофізичні властивості (від напівпровідників до провідників з провідністю металів).

Недоліки волокон вуглецю – наявність поверхневих дефектів, окиснюваність на повітрі, хімічна взаємодія з деякими металами і низька адгезія до полімерних матриць. Для зменшення поверхневих дефектів волокон застосовують окиснення поверхні, травлення в різних реактивах. Для зменшення хімічної взаємодії і поліпшення їх адгезійних властивостей на поверхню волокон наносять металеві або керамічні покриття. Для підвищення межі міцності на зрушення на поверхню волокон також наносять «вуса», розташовані перпендикулярно до осі волокна.

Одержують волокна вуглецю з органічних волокон їх термообробкою. Основними видами сировини є віскозні і поліакрилонітрильні (ПАН) волокна, а також пек, багатий вуглецем, і фенолові смоли, з яких спочатку одержують органічні волокна. Для отримання високоміцних волокон з пеку і фенольних смол використовують спеціальні технологічні схеми. Проте під час використання пеку виділяються канцерогенні речовини. Тому для виготовлення волокон вуглецю переважно застосовують волокна віскози і поліакрилонітрилу (рис. 8.8, 8.9).

Технологія отримання волокон вуглецю з ПАН більш проста. У такому технологічному процесі операція натягу, що відбувається під час графітизації, потрібна для створення орієнтації крісталітів уздовж осі волокна.

Для збільшення жорсткості і міцності таких волокон їх легують бором, опромінюють нейтронами, вводять перед піролізом буру або золь силіцієвої кислоти.

Використання ПАН дозволяє одержувати високоміцні й високомодульні волокна вуглецю з великим порівняно з віскозою виходом вуглецю і за простішою технологією.

Волокна віскози дешевші за волокна ПАН, проте для досягнення високої міцності їх графітизацію необхідно провадити за вищих температур.

ПАН

Нагрівання до 220 оС, витримка 20 год

Нагрівання до 980 оС, витримка 24 год у середовищі водню

Нагрівання до 2500 оС, витримка 2 год, натяг

Графітизація за температури 270 оС протягом 15 хв

ВВуглецеве волокно

Рис. 8.8. Технологічна схема отримання вуглецевих волокон з волокон ПАН

Віскоза

Нагрівання до 150 ºС

Нагрівання до 240 ºС

Нагрівання до 400 оС, розрив целюлозних кілець

Нагрівання до 700 ºС, створення графітоподібних кілець

Нагрівання до 2800 ºС, натяг

Вуглецеве волокно

Рис. 8.9. Технологічна схема отримання вуглецевих волокон з віскози

У промислових масштабах випускають високоміцні високомодульні вуглецеві волокна з межею міцності 1400...3500 МПа і модулем пружності 70...600 ГПа.

Як армувальні елементи композиційних матеріалів набувають широкого застосування скляні волокна невисокої густини, що мають міцність 1000...6000 МПа, високі теплостійкість, хімічну стійкість, низьку теплопровідність і низький коефіцієнт термічного розширення. Властивості скляних волокон визначаються складом, технологією виготовлення і діаметром волокна. Для виготовлення волокон застосовують такі типи скла: безлужні алюмоборосилікатні (тип Е), лужні (тип А), малолужні (тип З) і кремнеземні.

Виробляють скляні волокна двох видів: безперервні і штапельні. Перший вид характеризується прямолінійністю і необмеженою довжиною, другий — хаотичною хвилястістю і невеликою довжиною. Вид волокон залежить від способу їх виготовлення. Використовують три способи виготовлення скляних волокон: витягування з розплаву через фільєри, витягування зі скляних штабиків під час їх нагрівання, руйнування струменя скломаси під дією відцентрових сил, потоку повітря, газу або пари.

Найчастіше застосовують спосіб витягування волокон з розплаву через фільєри за схемою, показаною на рис. 8.10.

Рис. 8.10. Схема установки для отримання скляних волокон витягуванням з

розплавів:1 – бункер зі скляними кульками; 2 – плавильний пристрій;

3 – фільєри; 4 – пристрій формування пасма; 5 – замаслювач;

6 – приймальна бобіна

Скляні кульки з бункера 1 надходять у плавильний пристрій 2, де і плавляться. Отриманий розплав видавлюється через систему платинових, що підігріваються, фільєр 3. Після виходу з фільєр безперервні нитки з’єднуються в пасма 4, обробляються замаслювачем 5 і накручуються на бобіну 6. Замаслювання застосовують для зниження абразивної взаємодії волокон. Використовують два види замаслювачів: пасивні й активні. Пасивні замаслювачі зменшують абразивну дію і погіршують адгезію під час виготовлення композиційних матеріалів, тому їх необхідно видаляти перед уведенням у матрицю. Активні замаслювачі виконують подвійну функцію: зменшують абразивну дію і підсилюють адгезію волокна до матриці. Як пасивні замаслювачі використовують емульсії парафіну, крохмалю або машинне масло, як активні – метало- або силіцієорганічні сполуки.

Іноді для підвищення стійкості скляних волокон до стирання, поліпшення міцнісних характеристик і забезпечення надійного зчеплення волокон з матрицею на їх поверхню наносять покриття з цинку, нікелю, міді або заліза двома способами: з парової фази і з розплаву. У першому випадку волокно протягують через камеру, заповнену парами металу, у другому — пропускають через розплав металу.

Так, для металізації скляних волокон з газової (парової) фази можна використовувати установку, схему якої показано на рис. 8.11. Балон 7 з вуглекислим газом, забезпечений вентилем 2 і редуктором 3, через трубопровід 4 сполучений із змійовиком 5. Останній за допомогою трубопроводу з клапаном 6 послідовно з’єднується з U-подібною трубкою 7 і реакційною камерою 18, яка має отвори 15, 24 для проходження волокон 11 і виходу газу 16. Необхідна температура в камері 18 підтримується за допомогою індукційного нагрівника 17. Нагрівання волокон, покритих комплексною сіллю хрому, в процесі руху в реакційну камеру здійснюється трубчастим нагрівником 14, сполученим з камерою. Для рівномірного нанесення покриття скловолокно піддається вібрації за допомогою ексцентрика 20, закріпленого на валу в кожусі 21. Після нанесення покриття волокно проходить через затвор 23. Затвор 23 є металевою рознімною камерою, забезпеченою отвором 24 для виходу волокон і патрубком 22 для подачі газу (наприклад, СO₂). Струм газу встановлюється клапаном за манометром з таким розрахунком, щоб забезпечити достатню його кількість у кожусі 21 ексцентрика, у затворі 23 і запобігти проникненню в них пентакарбонілу заліза, у результаті розкладання якого метал осідає на волокнах. Інший затвор 13 розміщений перед нагрівником 14 і служить для захисту системи від попадання в неї повітря. Гази, що виходять з камери 18, віддаляються відсмоктуванням і конденсуються в змійовику 9, який охолоджується твердим вуглекислим газом або іншим холодоагентом. Конденсатор забезпечений трубопроводом, через який рідкий пентакарбоніл заліза може повертатися в реакційну камеру. Для запобігання попаданню основного потоку газу в конденсатор передбачено клапан 8. Попадання відпрацьованих газів у реакційну камеру при роботі під дією атмосферного тиску не впливає на якість готових волокон. Щоб уникнути різкого охолоджування обробленого волокна, передбачено кожух 19, в якому підтримується потрібна температура.

Рис.13. Схема установки для металізації волокон у газовій фазі

Необроблені волокна намотують на мотовило 10. Після проходження через затвор 23 волокно намотується на мотовило 25 з приводом від мотора 26. Волокна обробляються комплексною хромовою сіллю в ємкості 12, потім вони потрапляють до нагрівника 14.

Для обробки волокон перед металізацією використовують розчин з метакрилат-хлориду хрому, хрому, ізопропілового спирту, ацетону та води. Волокно можна обробляти й термостійкою силіконовою смолою.

Для покриття волокон використовують пари таких металів, як нікель, залізо, молібден, цирконій, алюміній тощо.

Відомі способи нанесення покриттів на скловолокно безперервно у момент виходу його в розплавленому стані з літникової втулки прядильної голівки. Схему установки для нанесення на волокна покриття з парової фази показано на рис. 8.12. Нитка з прядильної голівки 2, розміщеної на виході печі 1, через нагрівник 3 і газову камеру 9 потрапляє в камеру 8, яка заповнена парами металу високої температури. Після обробки нитка протягується через відновну камеру 7 і за допомогою натяжних роликів 6 через напрямний пристрій 5 подається на приймальний пристрій 4. Замість камер 9, 8 і 7 може використовуватися одна газонаповнена камера з розплавленим металом, проходячи через який нитка металізується (рис. 8.13 ).

Рис. 8.12. Схема установки для металізації скляних волокон у паровій фазі

Рис. 8.13. Схема установки для металізації скляних волокон в розплаві

Для швидкісної металізації волокон можна застосовувати установку, схему якої показано на рис. 8.14. Вона складається з плавильного пристрою-живильника 1. У днищі живильника є ряд отворів 3, через які витікають в одній площині цівки розплавленого скла 3. Між плавильним пристроєм і приймальним барабаном 9 установлено колектор 7, який збирає окремі волокна в загальний джгут 8. Волокна в процесі формування розтягуються. При цьому ступінь витяжки залежить від швидкості обертання барабана. Метал наноситься на волокна за допомогою пристроїв 4 і 5, що мають спеціальні настановні гвинти 6. Завдяки покриттям волокна можуть різко змінювати свої властивості.

Для виготовлення жароміцних і теплозахисних композиційних матеріалів застосовують керамічні волокна. Найчастіше їх виготовляють з тугоплавких, хімічно інертних сполук: А1₂O₃, ZrO₂, BNr, В₄С, А1₂O₃-Сг₂O₃, А1₂O₃-SiO₂. За структурою керамічні волокна поділяються на полі- і монокристалічні. Полікристалічні волокна мають структуру порошкової безпористої кераміки з незорієнтованими зернами. Вони мають переваги порівняно з монокристалічними: значно дешевші, характеризуються більшою однорідністю і меншим розкидом міцності, кращою технологічністю, що визначає їх переважне застосування. Міцність керамічних волокон залежить від складу і становить 1220...2450 МПа, модуль пружності – 90...480 ГПа.

Рис. 8.14. Схема апарату для неперервного формування і металізації

скляних волокон

Одержувати керамічні волокна можна трьома методами: екструзією в’язкого металоорганічного розчину, сушінням тонкої плівки металоорганічного розчину (плівковий метод) і деформацією пластифікованих порошкових сумішей.

Найпоширеніший метод екструзії, що полягає в приготуванні суспензії колоїдного розчину металоорганічної сполуки, формуванні волокна і його випалюванні для його ущільнення і стабілізації структури. Так, для отримання полікристалічних волокон оксиду алюмінію використовують суміш порошку формоацетату алюмінію А1(ВІН) (СНO₂) • (С₂Н₃O₂) з водою (1:1) з додаванням 10 %-го розчину винної кислоти. Суміш нагрівають до 50...80 °С у вакуумі для видалення повітря, води і залишків кислоти, що супроводжується підвищенням в'язкості до 200...250 Па^.с. Потім розчин заливають у резервуар пристрою, схему якого показано на рис. 8.15.

Із резервуара 1 рідина, що перебуває під тиском азоту 10...12 МПа, надходить у шестеренний насос 2, який створює необхідний тиск, вимірюваний манометром 3. Потім рідина через фільтр 4, що затримує тверді частинки, спрямовується на фільєри 5, розміщені в термостаті 6 для підтримання стабільної в’язкості розчину. Як фільєри використовують платиновий стаканчик перетином 12 мм, на дні якого завтовшки 0,5 мм є більше 15 отворів діаметром 127 мкм. Волокна з фільєр потрапляють в потік гарячого повітря, де віддаляється вода і підвищується міцність волокон. Намотуючись на барабан 7, волокна натягуються, внаслідок чого діаметр зменшується від 127 до 10...25 мкм. Після сушіння волокна поволі нагрівають до 1500 °С. За температури 500... 700 °С вигоряють органічні речовини і залишається аморфний оксид алюмінію, з якого за температури 1000 °С утворюється кристалічний -А1₂0₃, а за 1500 °С — -А1₂0₃.

Рис. 8.15. Схема установки для отримання неперервних неорганічних волокон:

1 – резервуар; 2 – насос; 3 – манометр; 4 – фільтр;

5 – фільєри; 6 – термостат; 7 – барабан

Плівковий метод полягає в приготуванні розчинів органічних солей алюмінію, гафнію, торію, ніобію та інших металів, фільтрації і нанесенні плівки розчину на гладку поверхню, наприклад стекол. Нагріваючись до температури 80...120 °С, рідина випаровується і розчин твердне. На останніх стадіях сушіння плівка розривається на тонкі смужки завтовшки декілька мікрометрів та завдовжки до 3 см. Відокремлені від підкладки волокна відпалюють за температури 1200...1400 °С на повітрі для видалення органічних речовин і перетворення матеріалу волокон в оксидну кераміку. При цьому аморфна структура перетворюється в тонкокристалічну.

Недолік методу ─ неможливість отримання безперервних волокон з перетином округлої форми.

Метод отримання керамічних волокон деформацією порошкових сумішей полягає в приготуванні суміші з порошків металу й оксидів, волокна яких треба одержати. Шихту пресують у заготівки, спікають і екструдують за високої температури. У процесі екструзії одержують волоконну структуру з металевих і керамічних волокон.

Для виділення керамічного волокна металеве зв’язуюче видаляють травником. Недоліки методу — необхідність видалення металевого зв’язуючого, низька продуктивність і обмежена довжина волокон.

Досить широке застосування у виготовленні композиційних матеріалів набувають ниткоподібні кристали («вуса») – дискретні волокна монокристалічної структури діаметром до 10 мкм за співвідношення довжини до діаметра 20...100. Характеристики міцності ниткоподібних кристалів залежать від стану поверхні, наявності внутрішніх дефектів, діаметра волокна і матеріалу, з якого їх виготовляють. За використовуваними для їх виготовлення матеріалами їх поділяють на дві групи: металеві й керамічні.

Межа міцності металевих ниткоподібних кристалів на розрив досягає 13,4 ГПа з подовженням до 4,9 %, керамічних — 40 ГПа, а модуль пружності — 1000 ГПа, що перевищує характеристики міцності волокон іншого виду, виготовлених з таких самих матеріалів.

Виготовляючи композиційні матеріали, перевагу віддають керамічним волокнам, оскільки вони здебільшого інертні до матеріалу матриці, стають більш пластичними за високих температур і мають вищу питому міцність.

Виробляють ниткоподібні кристали вирощуванням з покриттів, в електричному полі, осадженням з газової фази, хімічним методом, кристалізацією з розчинів.

Вирощуванням з покриттів одержують ниткоподібні кристали легкоплавких металів (цинку, олова, кадмію, індію і т. ін.). Суть методу полягає в самовільному зростанні ниткоподібних кристалів з тонкого покриття металу, нанесеного на гладку поверхню. Швидкість росту збільшується на один-два порядки з підвищенням тиску, температури та завдяки створенню окиснювального середовища. Діаметр «вусів»-кристалів досягає 0,1...2 мкм, а довжина — до 5 мм. Після видалення утворених ниткоподібних кристалів з поверхні, на якій вони утворилися, на їх місці починають рости нові.

Вирощування в електричному полі полягає в отриманні ниткоподібних кристалів деяких металів електролітичним осадженням і вирощуванням в електричній дузі високого тиску. Для електролітичного осадження застосовують електроліт, що містить органічні домішки (желатин, олеїнову кислоту, глюкозу) і неорганічні частинки (скло або графіт). Електроліз провадять за великої густини струму. Кристали ростуть на катоді, а молекули домішок адсорбуються на бічних поверхнях кристалів, перешкоджаючи їх поперечному зростанню. Міцність ниткоподібних кристалів, одержаних цим методом, невисока, оскільки поверхня кристалів забруднена домішками і газами. Ниткоподібні кристали в електричній дузі високого тиску вирощують у дугорозрядних камерах з графітовими електродами під тиском інертного газу. Позитивно заряджений електрод випаровується і пари осідають на негативно зарядженому, утворюючи графітові напливи завдовжки в декілька сантиметрів, пронизані ниткоподібними кристалами, які витягують руйнуванням напливів. Таким методом одержують ниткоподібні кристали вуглецю діаметром 0,5...5 мкм і завдовжки до 3 см.

Осадження з газової фази грунтується на перетворенні речовини в пароподібний стан сублімацією або випаровуванням з подальшим масоперенесенням через газову фазу і конденсацією в зоні охолоджування.

Схему простої камери кристалізації показано на рис. 8.16. Камера забезпечена пристроєм для керування градієнтом температур між зонами випаровування 3 і конденсації 2. У піч поміщають ампулу 1 з початковою речовиною 4 так, що одна частина ампули з речовиною розміщена в камері випаровування, а друга частина в холоднішій зоні — зоні конденсації. Речовина випаровується і переміщається в холодну зону, де і відбувається зростання ниткоподібних кристалів. Швидкість росту і властивості кристалів залежать від градієнта температур, тиску пари і ступеня чистоти початкових речовин.

Зростання ниткоподібних кристалів з газової фази зумовлено наявністю на поверхні підкладки виходів дислокацій. Атоми осідаючої речовини приєднуються до незаростаючої сходинки на виході дислокацій, що приводить до її обертання і зростання кристала.

Метод осадження з газової фази дозволяє одержувати ниткоподібні кристали багатьох металів і сполук діаметром від сотих часток мікрометра до 40 мкм і завдовжки до декількох сантиметрів. Для отримання ниткоподібних кристалів тугоплавких сполук цей метод не застосовують через складність дотримання параметрів процесу за високих температур.

Найширше застосовуються хімічні методи отримання ниткоподібних кристалів, оскільки вони не потребують високих температур і дозволяють одержувати кристали багатьох металів і сполук. Хімічні методи отримання ниткоподібних кристалів – відновлення різних сполук, осадження з парогазового середовища, кристалізація з газового фази через рідку за механізмом пар — рідина — кристал (ПРК).

Рис. 8.16. Схема установки для отримання ниткоподібних

кристалів осадженням з газових фаз.

Як початкові матеріали в першому випадку використовують сульфіди, галогеніди й оксиди, які відновлюють воднем у звичних трубчастих печах. Наприклад, ниткоподібні кристали заліза одержують відновленням хлориду заліза (II) воднем. Алундовий човник з хлоридом заліза (II) поміщають у трубчасту піч, нагріту до температури 600...700 °С, через яку пропускають водень, розбавлений інертним газом. У результаті перебігу реакції

FeCl₂ + 2Н₂ = Fe + 2НС1+ Н₂

на стінках і кромці човника зростають ниткоподібні кристали заліза, розмір і форма яких залежать від умов проведення відновлення (температури, ступеня чистоти початкових продуктів, швидкості пропускання і співвідношення компонентів в суміші водень — інертний газ). Цим методом також можна одержати ниткоподібні кристали інших чистих металів, дво- і трикомпонентних сумішей металів, оксидів алюмінію, магнію, карбідів та інші діаметром до десяти мікрометрів і завдовжки декілька сантиметрів.

Метод вирощування кристалів осадженням з парогазової суміші застосовують здебільшого для отримання ниткоподібних кристалів тугоплавких сполук. Суть методу полягає у взаємодії парогазової суміші з утворенням газоподібнї сполуки і її конденсації на підкладках.

В основі отримання ниткоподібних кристалів карбіду силіцію з використанням як початкових матеріалів вуглеводнів і метилтрихлорсилану лежать реакції

SiCl₄ + CH₄ = S1C + 4HC1;

CH₃SiCl₃ = SiC + ЗНС1.

Процес ведуть у прохідній герметичній печі із силітовими або графітними нагрівниками. Через пічний простір протягують графітну стрічку і пропускають газову суміш. У результаті перебігу наведених вище реакцій на графітній стрічці утворюються ниткоподібні кристали карбіду силіцію. Процес провадять за температури 1250...1350 °С протягом 7 діб.

Широкого промислового застосування набув метод осадження з парогазової фази ниткоподібних кристалів оксидів, карбідів і бориду діаметром 5...10 мкм і завдовжки до декількох сантиметрів.

Метод ПРК грунтується на тому, що речовина, що кристалізується, концентрується в проміжній рідкій фазі, пересичує її і виділяється в твердому стані на межі рідина — тверда фаза. Наприклад, для вирощування ниткоподібних кристалів силіцію (рис. 8.17) на силіцієву підкладку 3 наносять рідку краплю золота за температури кристалізації, при цьому утворюється розчин 2 золото — силіцій. Над підкладкою з рідкою краплею пропускають пари силіцію 1, які конденсуються в краплі розплаву, пересичують його атомами силіцію, надлишок яких виділяється на межі розділу рідина — підкладка. Це приводить до зростання кристала силіцію 4.

Рис. 8.17. Схема зростання кристалів силіцію

Розмір кристала визначають діаметром краплі розчину, а швидкість росту – швидкістю кристалізації краплі на поверхні речовини.

Ниткоподібні кристали, що утворюються в процесі вирощування, істотно відрізняються один від одного досконалістю кристалічної будови, кількістю поверхневих дефектів. Тому після отримання їх сортують за розмірами і формою за допомогою ультразвука або в апаратах повітряного відмучування. За розмірами частинок сортують також рідинним і повітряним методами.

Для створення композиційних матеріалів значного поширення набули фізико-хімічні методи отримання волокон, що грунтуються на технологічних методах виготовлення виробів методами порошкової металургії.

Основа процесу отримання волокон методами порошкової металургії – мундштучне пресування або екструзія пластифікованих сумішей з використанням спеціальних пресформ (рис. 8.18) або екструдерів.

Рис. 8.18. Схема прес-формидля мундштучного пресування:

1 – пуансон; 2 – матриця; 3 –пластифікована суміш;

4 – мундштук; 5 – фіксуюче кільце; 6 – волокно

Для цього готують пластифіковані суміші з порошку відповідного матеріалу та пластифікатора. Тверді частинки порошку в таких сумішах не здатні до пластичної деформації навіть за тривалого прикладання навантаження. Водночас пластифікатор має відносно низьке значення межі текучості. У поєднанні ці два компоненти в суміші утворюють в’язкопластичне тіло Бінгама – Шведова. В основі процесу ущільнення лежить структурна деформація порошку та його більш щільне укладання унаслідок пластичної плинності суміші під дією зовнішнього навантаження. При цьому пластичної деформації чи крихкого руйнування матеріалу частинок майже не буває . Відносне переміщення частинок і їхнє більш щільне укладання під час мундштучного пресування можливі тільки за наявності між ними прошарку пластифікатора. Пластифікатор, полегшуючи ковзання частинок порошку відносно одна одної і стінок прес-форми, має також надавати сформованим волокнам деяку міцність за рахунок клеючої здатності. Вид пластифікатора суттєво впливає на реологічні властивості пластифікованої суміші.

Правильний вибір пластифікатора має важливе значення для формування волокон. У практиці мундштучного пресування можна застосовувати пластифікатори органічного й неорганічного походження. Характеристику деяких з них наведено в табл. 8.1.

Таблиця 8.1

Характеристика пластифікаторів

Пластифікатор	Співвідношення між розчинником та речовиною	Вміст, %
		золи	коксу
Парафін	–	0	0
Розчин парафіну в бензині	2 : 1	0	0
Розчин парафіну в бензолі	2:1	0	0
Розчин каучуку в бензині	10:1	0,94	1,55
Розчин полівінілового спирту у воді	4:1	0,58	1,15
Крохмальний клейстер	4 : 1	2,45	6,75
Розчин бакеліту в спирті	10 : 1		50...52
Розчин сополіаміду в спирті	5:1	0	0
Розчин метилцелюлози у воді	5 : 1	1,6	7,4
Неорганічні пластифікатори	(1...5) : 5	–	–

Неорганічні пластифікатори мають істотний недолік, який полягає в тому, що після виконання свого технологічного призначення, вони залишаються в матеріалі виробу, змінюючи його властивості. Тому їх застосування можливе тільки в тому разі, коли вони містяться в кінцевому матеріалі волокна.

Неорганічні пластифікатори мають істотний недолік, який полягає в тому, що після виконання свого технологічного призначення, вони залишаються в матеріалі виробу, змінюючи його властивості. Тому їх застосування можливе тільки в тому разі, коли вони містяться в кінцевому матеріалі волокна.

Пластифікатори органічного походження, як правило, під час нагрівання майже цілком видаляються за рахунок вигоряння чи сублімації. Однак і в цих випадках деякі з них можуть вносити в матеріал деяку кількість золи чи коксу (табл. 8.1). Тому, вибираючи пластифікатор органічного походження, необхідно враховувати допустимість внесення цих домішок у матеріал волокон. Найбільш прийнятні парафін, віск, розчини парафіну в бензині чи бензолі, розчин сополіаміду в спирті, які після сублімації майже не вносять домішок у матеріал.

Поряд з цим пластифікатори не повинні взаємодіяти з основним матеріалом і бути технологічними. Останнє обумовлено тим, що деякі з них мають необхідні властивості пластичності тільки в розчинах (полівініловий спирт, крохмал, каучук , сополіаміди та ін.), а деякі набувають їх під час нагрівання (парафін, віск, поліаміди).

Розчинні пластифікатори потребують проведення операцій приготування розчину, сушіння пластифікованої суміші, прецезійного контролю вологості та характеристик пластичності.

Застосування термопластичних пластифікаторів вимагає проведення операцій змішування та формування за підвищених температур, що ускладнює процес у цілому.

Один з головних етапів мундштучного формування – підготовка пластифікованої суміші. При цьому важливо визначити оптимальний уміст пластифікатора, від кількості якого залежать реологічні властивості суміші, умови формування та властивості кінцевого виробу.

Для змішування частинки порошків твердої фази повинні бути покриті прошарком пластифікатора, товщина якого залежить від його виду і кількості, а також від питомої поверхні використовуваних порошків. Зазвичай оптимальна кількість пластифікатора може становити 50 об’ємних часток і більше.

У підсумку пластифіковані суміші мають бути в’язкопластичними тілами Бінгама – Шведова і мати просторову структуру коагуляційного типу з висококонцентрованою дисперсною твердою фазою.

Якість пластифікованої суміші характеризують пластичною міцністю структури , пластичною в’язкістю та умовною динамічною межею текучості. Найбільш суттєвими є перші дві характеристики.

Безпосередньо процес мундштучного формування характеризують необхідним зусиллям пресування та характером кривих витікання (рис.8.19).

Рис. 8.19. Вигляд ідеалізованих кривих залежності тиску витікання від ходу пуансона в процесі мундштучного формування: 1 – для сумішей

з кількістю пластифікатора меншою за оптимальну; 2 – для сумішей

з надлишком пластифікатора; 3 – оптимальна кількість пластифікатора

Пластичну міцність структури використовують як контрольний параметр вибору оптимальних співідношень пластифікатора і вологи, а також температури процесу в разі застосуванні термопластичних пластифікаторів.

Пластичну міцність структури визначають за результатами випробувань суміші методом конічного пластометра за формулою

,

де – постійна конуса; ; Р – навантаження на конус; – глибина занурення конуса в суміш.

За інших однакових умов важливе значення має вологість суміші (у разі використання розчинних пластифікаторів), яка повинна бути у межах 10…16 %. При цьому пластична міцність сумішей становить (4...10) ∙10⁵ Н/м².

Пластична міцність термопластичних сумішей зменшується з підвищенням температури.

В’язкість пластифікованих сумішей залежить від швидкості витікання і характеризується пластичною в’язкістю, тобто в’язкістю за великих швидкостей деформації , коли рівноважна структура в суміші не встигає відновлюватись. У випадку визначення пластичної в’язкості за допомогою капілярних віскозиметрів її розраховують за формулою

,

де l – відповідно діаметр та довжина капіляра віскозиметра; – секундні витрати маси; – відповідно діюче та граничне значення тиску, за яких починається рух суміші.

Зусилля пресування, яке залежить від геометрії використовуваної прес-форми і властивостей пластифікованої суміші, визначають за формулою

,

де – градієнт швидкості деформації суміші в радіальному напрямку конічної частини мундштука.

Криві витікання характеризують собою залежність зусилля пресування від ходу пуансона під час пресування. Залежність 1 на рис. 2.24 свідчить про те, що суміш містить малу кількість пластифікатора або її вологість менша за оптимальну, а залежність 3 – про завищений вміст пластифікатора або вологи. Залежність 2 – оптимальна. У цьому випадку суміш є в’язко-пластичним тілом Бінгама – Шведова, оскільки витікання відбувається за визначеного для цієї суміші тиску.

У межах оптимального режиму витікання тиск зменшується зі збільшенням умісту пластифікатора в суміші, зменшенням питомої поверхні порошків та підвищенням температури (для термопластичних пластифікаторів). Зазвичай тиск пресування становить 50...150 МПа.

Суттєвий вплив на щільність та рівномірний її розподіл по довжині виробу має ступінь обтиснення, який визначають за формулою

,

де – діаметр матриці прес-форми; – діаметр вихідного каналу

мундштука .

Зазвичай ступінь обтиснення становить 85…99 %. Якщо ступінь обтиснення більший, значно підвищується тиск витікання суміші, який змінюється стрибкоподібно, а у волокнах з’являються поперечні тріщини. За меншого ступеня обтиснення отримують волокна з нерівномірним розподілом щільності по довжині та з пустотами всередині, спричиненими нерівномірним ущільненням суміші.

Певний вплив на якість волокон має довжина циліндричної частини каналу мундштука. Для ступенів обтиснення в межах 79…96 % якісні волокна отримують за його довжини 35...55 мм. Якщо менша довжина, витікання суміші відбувається нерівномірно, волокна спотворюються і мають нерівномірний розподіл щільності по довжині та перетину.

Існує ще один різновид мундштучного пресування – екструзія. Суть цього методу майже нічим не відрізняється від методу мундштучного пресування. Екструдуванням пластифікованих сумішей, на відміну від мундштучного пресування, можна одержувати волокна досить великої довжини.

Після екструзії і видалення зв’язуючого шляхом нагрівання за від-

носно низьких температур волокна спікають у захисному середовищі (водень, інертний газ, вакуум). Закономірності спікання порошкових виробів викладені в багатьох літературних джерелах і є предметом вивчення студентами в спеціальних курсах. Спіканння порошкових об’єктів з невеликими поперечними розмірами має свої особливості порівняно зі спіканням макрозразків. Ці особливості випливають з аналізу механізмів «заліковування» пор в ідеальних кристалічних тілах, тобто за визначених температурно-годинних режимів спікання і геометричних розмірів об’єктів переважним стає механізм дифузійного «скоринкового» спікання і на кінетику процесу впливає ефект масштабного чинника. Цей вплив виражається у більшій усадці унаслідок спікання волокон з поперечними розмірами, що менші від декількох сотень мікрометрів, і в отриманні їх у майже безпористому стані. Завдяки впливу ефекту масштабного чинника на процес спікання екструдованих волокон їх можна спікати як під час переміщення через температурну зону, так і в шарі у вигляді сформованої повсті. При цьому на волокнах з чистих металів, спечених за оптимальних температурно-годинних режимів, досягаються значення міцності й пластичності, близькі до відповідних їх значень для литих металів. Процеси спікання волокон можуть бути суміщені з їх хіміко-термічною обробкою, що дозволяє за допомогою легування істотно змінювати хімічний склад матеріалу і рівень властивостей .

Метод екструзії сумішей дрібнодисперсних порошків із зв’язуючим дозволяє одержувати волокна, поперечні розміри яких перед спіканням на 10 % менші від діаметра отворів у мундштуках. Після спікання діаметр волокон зменшується ще на 30 %. Зрозуміло, що отримання таким методом волокон діаметром менше 50 мкм спричиняє певні технічні труднощі, пов’язані з виготовленням необхідних фільєр і застосуванням потужного силового устаткування.

Волокна діаметром 8...40 мкм з порошків металів та інших матеріалів також можна отримувати з використанням як волокно утворювальної основи органічних розчинів для виробництва хімічних волокон. У цьому разі волокна з порошкової суміші формуються не завдяки силовому обтисканню в процесі екструзії, а в результаті колоїдно-хімічних реакцій з попаданням цівок суміші в спеціальне осадове середовище після видавлювання через фільєру за порівняно низького тиску. Взаємодія цівок суміші з осадовим середовищем (незалежно від умісту порошку) зумовлює їх твердіння. Для стоншування волокна, наповненого порошком, у процесі формування його можна витягувати традиційними способами, використовуваними у виробництві хімічних волокон з подальшим висушуванням і термообробкою.

Для оцінювання технологічних можливостей розглянутих методів отримання тонких волокон екструзією порошкових сумішей можна скористатися коефіцієнтом стоншування, що є відношенням діаметра отворів у фільєрі до діаметра волокон після спікання. Максимальне значення цього коефіцієнта для процесу екструзії пластифікованих порошкових сумішей дорівнює двом, а для видавлювання наповнених порошком волокон з прядильних розчинів – 12. Отже, використовуючи фільєри з отворами діаметром 200 мкм, можна одержувати волокна діаметром, меншим за 20 мкм.

Список літератури

1. Бондаренко Б. И. Восстановление окислов металлов в сложных газовых системах. – К.: Наук.думка, 1980. – 385 с.

2. Дельмон В. Кинетика гетерогенных реаций. – М.: Мир, 1972. – 640 с.

3. Зеликман А. Н., Меерсон Г. А. Металлургия редких металлов. – М.: Металлургия, 1973. – 608 с.

4. Кипарисов С. С., Либенсон Г. А. Порошковая металлургия. – М.: Металлургия, 1980. – 495 с.

5. Ничипоренко О. С., Найда Ю. И., Медведовский А. Б. Распыленные металлические порошки. – К.: Наук.думка, 1980. – 238 с.

6. Механизм и кинетика восстановления металлов. – М.: Наука, 1970. – 202 с.

7. Радомысельский И. Д., Напара-Волгина С. Г. Получение легированных порошков диффузионным методом и их использование. – К.: Наку.думка, 1988. – 136 с.

8. Нечипоренко О.С., Помосов А.В., Набойченко С.С. Порошки меди и ее сплавов. М.: Металлургия, 1988. – 205 с.

9. Степанчук А. Н. Физико-химические закономерности получения порошков металлов и сплавов. – К.: УМК ВО, 1989. – 184 с.

10. Степанчук А. Н., Билык И. И., Бойко П. А. Технология порошковой металлургии. – К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. – 415 с.

11. Косторнов А. Г. Материаловедение дисперсных и пористых металлов и сплавов. Т.1. – К.: Наукова думка, 2002. – 569 с.

12. Полищук В. С. Интенсификация процессов получения карбидов, нитридов и композиционных материалов на их основе. – Севастополь: Вебер, 2003. – 327 с.

13. Панов В. С., Чувилин А. М. Технология и свойства спеченых твердых сплавов и изделий из них. – М.: “МИСИС”, 2001. – 428 с.

14. Кипарисов С. С., Падалко О. В. Оборудование предприятий порошковой металлургии, - М.: Металлургия, 1988. – 488 с.

15. Поздняк Н. З., Крушинский А. Н. Проектирование и оборудование цехов порошковой металлургии. – М.: Машиностроение, 1965. – 297 с.

16. Сердюк Г. Г., Свистун Л. И. Технология порошковой металлургии. Часть 1. Порошки. – Краснодар: Кубан. гос. технол.ун-т, 2005. – 240 с.

17. Косолапова Т. Я. карбиды. – М.: Металлургия, 1968. – 300 с.

18. Самсонов Г. В., Кулик О. П., Полищук В. С. Нитриды. – К.: Наук.думка, 1978. – 318 с.

19. Самсонов Г. В., Серебрякова Т. И. Неронов В. А. Бориды. – М.: Атомиздат, 1975. – 375 с.

20. Самсонов Г. В., Дворина Л. А., Рудь Б. М. Силициды. – М.: Металлургия, 1979. – 272 с.

Зміст

Вступ .................................................................................................... 3

1. Властивості порошків ……………………………………. 5

1.1. Хімічні властивості ............................................................ 5

1.2. Фізичні властивості ........................................................... 6

1.3. Технологічні властивості................................................... 13

2. Механічні методи отримання порошків ............................ 16

2.1. Загальні положення ............................................................. 16

2.2. Характеристика обладнання для подрібнення ................. 18

2.3. Основи теорії подрібнення ................................................. 41

2.4. Вплив рідин та ПАР на процес подрібнення матеріалів............. 55

3. Отримання порошків розпиленням розплавів......................... 62

3.1. Загальні положення ................................................................ 62

3.2. Вплив різних факторів на процес розпилення

розплавів газами ..................................................................... 67

3.3. Розпилення рідиною .............................................................. 82

3.4. Формування структури та властивостей порошків під час

їх отримання розпиленням розплавів .................................. 86

3.5. Технологічні особливості отримання порошків розпиленням ... 89

4. Отримання порошків металів і сплавів відновленням з

оксидів та інших сполук ................................................................ 99

4.1. Основи термодинаміки відновлювальних процесів .............. 99

4.2. Механізм і кінетика відновлювальних процесів. Вплив різноманітних факторів ........................................................................................ 104

4.3. Закономірності отримання порошків металів їх

відновленням з оксидів і солей воднем, вуглецем

та вуглецевмісними газами......................................................... 114

4.4. Отримання порошків металів металотермічним

відновленням .............................................................................. 130

4.4.1. Отримання металів відновленням їх оксидів кальцієм та

гідридом кальцію........................................................................ 133

4.4.2. Магнієтермічне відновлення солей металів ............................ 136

4.4.3. Натрієтермічне відновлення солей металів ............................. 137

4.5. Отримання порошків сплавів ....................................................... 139

4.5.1. Сумісне відновлення оксидів металів воднем ......................... 139

4.5.2. Сумісне відновлення сумішів оксидів гідридом кальцію ...... 142

4.5.3. Метод термодифузійного насичення з точкових джерел ....... 145

4.6. Технологічні основи отримання порошків металів і сплавів

відновленням оксидів та солей металів ..................................... 153

5. Електрохімічні та гідрометалургійні методи отримання

порошків металів і сплавів .............................................................. 168

5.1. Електроліз водних розчинів солей металів ............................. ... 168

5.1.1. Загальні закономірності ............................................................. 168

5.1.2. Вплив різноманітних чинників на властивості порошків

металів під час їх отримання електролізом водних розчинів

солей............................................................................................. 176

5.1.3. Особливості отримання порошків сплавів ............................. 185

5.1.4. Технологічні основи отримання порошків металів

електролізом водних розчинів їх солей ................................... 186

2. Електроліз розплавлених середовищ .......................................... 192

5.2.1. Технологічні основи отримання порошків металів

електролізом розплавлених середовищ .................................. 200

5.3. Автоклавний метод отримання порошків.................................... 206

4. Отримання порошків цементацією ............................................. 214

5. Отримання порошків міжкристалевою корозією ...................... 216

6. Газоі методи отримання порошків ................................................. 217

6.1. Дисоціація карбонілів ................................................................... 217

6.2. Випаровування-конденсація......................................................... 223

7. Отримання порошків безкисневих тугоплавких сполук .............. 226

7.1. Властивості та застосування безкисневих тугоплавких

сполук ............................................................................................ 226

7.2. Отримання порошків карбідів ...................................................... 231

7.3. Отримання порошків нітридів ..................................................... 250

7.4. Отримання порошків боридів ...................................................... 260

7.5. Отримання порошків силіцидів ................................................... 273

7.6. Отримання порошків неметалевих тугоплавких сполук ........... 282

7.7. Отримання порошків литих тугоплавких сполук ...................... 293

8. Отримання волокон та вусів ............................................................ 317

8.1. Загальні відомості ......................................................................... 317

8.2. Методи отримання волокон та вусів............................................ 320

Список літератури................................................................................. 350

68

68