Влияние технологических параметров на прочность углеалюминиевой проволоки

8 сентября, 2021 | 22:07
Композит с алюминиевой матрицей и углеродным волокном представляет интерес с точки зрения замены алюминиевых сплавов. Это особенно актуально для приложений, где, по какой-то причине, алюминиевые силовые узлы конструкций не могут быть заменены легким и прочным углепластиком. К таким приложениям относятся силовые узлы конструкции планера самолета и других летательных аппаратов. Помимо авиационной и космической промышленности, этот материал может найти применение в электроэнергетической отрасли в качестве сердечника самонесущих кабелей ЛЭП. Аналогичный композитный материал используется сегодня по всему миру под торговым названием ACCR компании 3M.

Постановка задач исследования

Композит с алюминиевой матрицей и углеродным волокном представляет интерес с точки зрения замены алюминиевых сплавов. Это особенно актуально для приложений, где, по какой-то причине, алюминиевые силовые узлы конструкций не могут быть заменены легким и прочным углепластиком. К таким приложениям относятся силовые узлы конструкции планера самолета и других летательных аппаратов. Помимо авиационной и космической промышленности, этот материал может найти применение в электроэнергетической отрасли в качестве сердечника самонесущих кабелей ЛЭП. Аналогичный композитный материал используется сегодня по всему миру под торговым названием ACCR компании 3M.

Процесс получения углеалюминиевой проволоки методом протяжки нити углеродных волокон через расплав алюминия имеет по меньшей мере 15 параметров. В работах научного коллектива из Японии [1] рассмотрено влияние большого числа параметров на протекание процесса получения композитной проволоки и на её механические свойства. Однако в упомянутых работах не рассматривается влияние таких важных параметров как температуры расплава, мощности ультразвуковой обработки и барьерного покрытия углеродного волокна. Задачей настоящей работы является исследование упомянутых параметров.

 

Методы

В качестве армирующего средства использовалась коммерчески доступная непрерывная нить углеродного волокна марки UMT40-3K-EP (производство UMATEX Group, Россия) термически очищенная от аппрета в вакууме при температуре 400 °С в течение 15 минут (в соответствии с ISO 11566:1996). Согласно данным производителя предел прочности и модуль упругости при растяжении углеродного волокна равен 4.0 ГПа и 260 ГПа, соответственно. В качестве материала матрицы были использованы коммерчески доступные сплавы алюминия марок Al-6Mg и технически чистый алюминий АД1 (99,3%).

Нанесение SiO2-покрытия на углеродное волокно осуществлялось электрохимическим золь-гель методом, который подробно описан в работе [2]. Было использовано 4 типа покрытия, отличающихся друг от друга толщиной, которая была равна 0.1, 0.3, 0.7 и 1 мкм.

Схема получения CF/Al-проволоки приведена на рисунке 1. С отдающей катушки (1) нить углеродного волокна (2) через входную фильеру в стенке графитового тигля (3) поступает в матричный расплав внутри тигля. Нагрев тигля осуществляется благодаря индукционному нагреву (4). Для обеспечения пропитки в расплаве матрицы создается кавитация с помощью ниобиевого волновода (5). Пройдя через выходную фильеру в стенке тигля, волокно, пропитанное расплавом, поступает в холодную область. После кристаллизации расплава, полученная таким образом, композитная проволока сматывается на принимающую катушку (7).

Рисунок 1 – Схема получения углеалюминиевой проволоки

Прочность проволоки была определена при трехточечном изгибе. Форма поперечного сечения проволоки была принята эллипсоидной, величины прочности были рассчитаны по формуле (для эллипсоидных цилиндров):

σ = [8FL]/[πab2], где F — нагрузка, предшествующая разрушению, a — большая ось эллипса в поперечном сечении образца, b — малая ось эллипса в поперечном сечении образца, L — расстояние между опорами. Размеры a и b не превышали 1 мм, расстояние между опорами было равно 20 мм. Скорость нагружения составляла 5 мм/мин.

Эффективная прочность σ(eff) волокна была рассчитана как отношение прочности волокна в композите (рассчитанная из правила смесей) к исходной прочности волокна (4000 МПа согласно данным производителя). Прочность матрицы при изгибе была принята равной 450 МПа (наибольшая прочность сплава Al-6Mg).

 

Основные результаты, выносимые на семинар

  1. Прочность CF/Al-проволоки увеличивается при уменьшении толщины покрытия и увеличении времени контакта, что указывает на хорошие барьерные свойства покрытия. Разрушение проволоки, армированной волокном с покрытием, имеет не хрупкий характер.
  2. Увеличение объемной доли волокна с покрытием приводит к уменьшению его эффективной прочности, что хорошо согласуется с представлением о композитах с металлической матрицей. При толщине покрытия 0,7 и 1 мкм убывание эффективной прочности волокна происходит довольно медленно, что дает основание ожидать большую прочности композита при большем содержании волокна с такими покрытиями.
  3. Исследование влияния температуры расплава и мощности ультразвуковой обработки при получении CF/Al-проволоки армированной волокном без покрытия показало, что наибольшая прочность может быть получена при наименьшем времени контакта и температуре расплава близкой к температуре ликвидус и наименьшей мощности ультразвуковой обработки достаточной для пропитки волокна.
  4. Оптимизация режима получения позволила достичь прочности CF/Al-проволоки более 2000 МПа при трехточечном изгибе.

 

Источники:

[1] Matsunaga, T., et al. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2007, 38, 1902–1911, doi:10.1016/j.compositesa.2007.03.007

[2] Galyshev, S., et al. Fibers 2021, 9, 33, doi:10.3390/fib9050033