Жидкофазные методы получения композиционных материалов

15 Ноя 2013

жидкофазные методыИсследования контактных свойств жидких металлов при высоких температурах, адгезии и смачивания твердых поверхностей металлическими расплавами сильно расширились в последнее время в связи с развитием новых отраслей техники — ядерной энергетики, электроники, ракетной техники, высокотемпературного металловедения и др.

Использование жидкофазных методов для изготовления композиционных материалов, предусматривающих контакт расплава матричного материала с более тугоплавкими волокнами, требует, чтобы между ними имело место смачивание. Соблюдение этого требования способствует достижению максимальной площади соприкосновения волокон с матрицей при равновесных условиях, что в свою очередь позволяет осуществлять более эффективную передачу напряжений волокнам. При отсутствии смачивания значительно возрастает вероятность образования пустот и участков слабого соединения компонентов композиции по границе между ними, что приводит к снижению ее прочности.

Основным условием смачивания при самопроизвольной пропитке является уменьшение свободной энергии системы.

Основной характеристикой смачивания, является, так называемый, краевой угол смачивания. Как правило, он определяется с достаточной точностью по фотографическим изображениям формы капли расплава, лежащей на подложке. Это так называемый метод «сидящей» или «лежащей» капли. Он получил наибольшее распространение для определения смачивания твердых поверхностей, как различными жидкостями, так и расплавами солей и металлов. Для этой цели сконструировано много установок, позволяющих вести процесс в условиях вакуума, восстановительной или инертной атмосфере. Кроме прямого измерения величины краевого угла, существуют косвенные методы расчета: по размерам капли и по форме симметричной капли, сидящей на тонкой нити. Отмечается, что последний метод позволяет с большей точностью определить краевой угол, чем непосредственное измерение его по форме лежащей капли, так как подложка имеет больше шероховатостей на своей поверхности, чем тонкая нить.

Существует способ определения смачивания при погружении пластинки или цилиндра в жидкость. С образованием мениска изменяется выталкивающая сила, действующая на образец. По величине этой силы судят о степени смачивания образца жидкостью.

При изучении возможности получения волокнистых композиций системы металл-керамические усы в расплав матрицы добавляли межфазноактивные легирующие вещества, что приводило к улучшению смачивания усов. Однако вследствие химического взаимодействия на границе фаз прочность усов значительно снижалась. В композициях металл-металл смачивание волокон происходит хорошо, но почти всегда имеет место растворение волокон и ухудшение их свойств.

В данном случае, чтобы избежать излишнего растворения волокон активными легирующими добавками, имеющимися в матричном сплаве, ищут оптимальные режимы получения композиций или вводят в состав матрицы добавки, тормозящие реакционное воздействие матрицы на волокно. Так, при исследовании смачивания поверхности меди алюминием, отмечается ухудшение растекания алюминия при введении в него от 20% до 65% меди, что связывают с уменьшением скорости реакции на границе раздела. Малые добавки меди не оказывают влияния на растекание алюминия.

Металлические поверхности хорошо смачиваются жидкими металлами. Большие краевые углы для некоторых пар металлов обусловлены плохой подготовкой твердых поверхностей. Специальной термовакуумной обработкой можно достичь растекания жидкого металла по твердому.

Металлическое взаимодействие достаточно для высокой степени смачивания. Однако наличие поверхностных покрытий на металлах может значительно изменить кинетику их смачивания расплавами. Так, при аргонно-дуговой наплавке алюминия на поверхность меди, покрытой серебром, цинком, оловом, никелем с цинком, было установлено, что покрытия серебра и цинка значительно ускоряют процесс растекания алюминия, что объясняют образованием жидкой смачивающей прослойки покрытия впереди фронта растекания.

Так как металлические поверхности хорошо смачиваются жидкими металлами, на поверхность плохо смачиваемых волокон и усов наносят слой металла. Это позволяет при получении композиционных материалов жидкофазными методами не только обеспечить хорошее смачивание и полное заполнение промежутков между волокнами, но и при соответствующем подборе покрытия предохранить поверхность волокон и усов от нежелательного реакционного воздействия расплава матрицы.

Так, для улучшения смачивания углеродных волокон поверхность их покрывают слоем никеля толщиной 1 мкм. При изучении смачивания твердых поверхностей жидкими расплавами процесс ведут в условиях вакуума, восстановительной или инертной среды. Это связано с тем, чтобы не допустить образования на поверхности материалов окислов или других образований, способных исказить результаты эксперимента.

На практике нередко сталкиваются с необходимостью обеспечить хорошее смачивание твердой и жидкой фаз в атмосфере воздуха. Так, при получении биметаллических отливок, заготовок для последующей обработки давлением, пайке горячее покрытие осуществляется, как правило, на воздухе. При ведении этих процессов используются флюсы, которые, растекаясь по поверхности твердой и жидкой фаз, предохраняют их от окисления и способствуют улучшению смачивания и адгезии.