Справочник по композиционным материалам

Процесс осаждения бора на углеродное волокно

Найдена возможность уменьшить катастрофическое падение прочности борного волокна из-за повреждений участков внутрен­ней поверхности при разрушении стержневого углеродного во­локна. Это удалось сделать, покрывая волокно основы пиролити - ческим графитом. Слой пиролитического графита не только уве­личивает слой бора, который может быть осажден до того, как разрушится основа [22], но и сохраняет от повреждения вну­треннюю поверхность бора в волокне. Все это делает возможным выпуск волокон с диаметром до 120 мкм. В работах [17, 23, 24] показано, что прочность борных волокон существенно зависит от условий осаждения бора на волокна основы, покрытых пиро - литическим графитом.

Реактор для получения борных волокон методом осаждения бора на основу из углеродного волокна показан на рис. 10.4. Он отличается от реактора для осаждения бора на вольфрамовую нить введением стадии нанесения пиролитического графита. На­несение пиролитического графита производится непосредственно

Перед осаждением бора на осно­ву, так как если стадии разде­лены, возникает возможность загрязнения и повреждения подготовленного таким обра­зом углеродного волокна. На рис. 10.4 представлены также профили температуры в борных волокнах, реализуемые в реак­торе для борного волокна на основе вольфрамовой проволоки и углеводородного волокна.

Рис. 10.4. Схема осаждения и диаграм­ма профиля температур Т в бороволок - нах по длине реактора (L — отноше­ние расстояний от верха реактора к его общей длине):

1 — исходная паковка УВ; 2 — секция осаждения пиролитического графита; 3 — реактор осаждения бора; 4 — бор иа угле­роде; 5 і*- вольфрам

В реакторе для борных волокон с углеволокнистой основой температура быстро возрастает до максимального значения. Время возрастания ограничено термическими характеристиками волокна. Затем температура монотонно падает, что определяется уменьше­нием электрического сопротивления по мере роста толщины осаж­дения электропроводящего бора. Следует также иметь в виду, что углеродные волокна с нанесенным слоем пиролитического угле­рода обладают отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления, в то время как вольфрам и его бориды обладают большим положительным Температурным коэф­фициентом электрического сопротивления. В связи с этим увели­чение толщины борного покрытия существенно меньше сказы­вается на температурном профиле волокна с углеволоконной основой, нежели с вольфрамовой. Более высокие средние темпе­ратуры в реакторе для осаждения бора на УВ обусловливают возможность увеличения выхода продукции приблизительно на 40 % по сравнению с выходом при вольфрамовой основе. Это увеличение происходит несмотря на то, что реактор при получе­нии бороуглеродных волокон диаметром 100 мкм длиннее из-за наличия участка нанесения слоя пиролитического графита. Рост выхода готового волокна делает более выгодным применение углеволокнистой основы и по экологическим причинам, дополняя более низкую исходную цену УВ-основы.

10.2.2.3. Применение бороуглеродных волокон

Большая часть произведенных борных волокон идет на изго­товление хвостовых деталей самолетов F-14 и F-15. Для этой цели использовались боровольфрамовые волокна диаметром 100 мкм. Модуль упругости такого волокна составляет 400 ГПа, тогда как у бороуглеродного волокна диаметром 100 мкм модуль упругости 358 ГПа. Различие в значениях модуля упругости готового волокна является следствием того, что около 10 % объема волокна занимает углеволоконная основа с модулем только 34 ГПа.

Бороуглеродные волокна имеют преимущество перед боро - вольфрамовыми там, где применимо волокно с более низким мо­дулем упругости. Для повышения модуля упругости объемная доля бора должна возрастать, и при испытаниях это учитывается. Так, для композита с бороуглеродным волокном диаметром 107 мкм было уменьшено содержание связующего, в результате чего рас­стояние между осями моноволокон оказалось неизменным. Тол­щина слоев бора и модуль упругости такого композита были иден­тичны материалу на основе боровольфрамового волокна диа­метром 100 мкм. Хотя этот путь сохранения модуля упругости композиционного материала вполне приемлем, другие свойства (поперечная прочность, деформация при разрушении) ухудшаются. Снижение физико-механических показателей является результа­том воздействия ряда факторов, включая и качество поверхности 8* 227

Рис. 10.5. Морфология поверхности боровольфрамового (а) и бороуглеродного (б) волокон

Волокон. Поверхность бороуглеродного волокна более гладкая, а следовательно, может быть уменьшено количество связующего, разделяющего волокно в композите (рис. 10.5).

Выше разбиралась возможность использования новых волокон в существующих, уже разработанных конструкциях. В действи­тельности же, бороуглеродные волокна должны применяться в конструкциях, которые будут полнее использовать их харак­терные особенности.