eng
Выпуск #6/2025
В.И.Румянцев, С.В.Агафонов, М.А.Юрков, А.А.Федоткова, К.Д.Алексеева, Е.С.Шитова, Н.А.Литовченко, А.В.Ерохина, А.П.Пономаренко, А.В.Глебов, Ф.В.Макаров, Е.М.Глебова, Р.Г.Захаров, И.С.Осипов
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, АРМИРОВАННОГО МОДИФИЦИРОВАННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, АРМИРОВАННОГО МОДИФИЦИРОВАННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ
Просмотры: 910
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.370.378
В работе представлены результаты исследования по определению толщины металлических покрытий на углеродных волокнах и микроструктуры металломатричных композиционных материалов на основе алюминия, армированного модифицированными углеродными волокнами. В качестве модификатора для углеродных волокон выступали защитные покрытия из металлов, такие как никель и медь. Данные покрытия позволили осуществить пропитку углеродного волокна расплавом алюминия с применением жидкофазного метода и получить высокоармированные металломатричные композиционные материалы с объемным содержанием углеродного волокна 72–75%.
В работе представлены результаты исследования по определению толщины металлических покрытий на углеродных волокнах и микроструктуры металломатричных композиционных материалов на основе алюминия, армированного модифицированными углеродными волокнами. В качестве модификатора для углеродных волокон выступали защитные покрытия из металлов, такие как никель и медь. Данные покрытия позволили осуществить пропитку углеродного волокна расплавом алюминия с применением жидкофазного метода и получить высокоармированные металломатричные композиционные материалы с объемным содержанием углеродного волокна 72–75%.
Теги: aluminum carbon fiber coating liquid-phase method metal matrix composite materials алюминий жидкофазный метод металломатричные композиционные материалы покрытие углеродное волокно
Получено: 8.09.2025 г. | Принято: 15.09.2025 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.6.370.378
Научная статья
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, АРМИРОВАННОГО МОДИФИЦИРОВАННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ
В.И.Румянцев1, к.т.н., ген. дир., ORCID: 0009-0000-3340-7622
С.В.Агафонов1, дир., ORCID: 0009-0005-5058-5267
М.А.Юрков1, к.т.н., рук. гр., ORCID: 0009-0003-4228-2405 / YurkovMA@virial.ru
А.А.Федоткова1, вед. инж., ORCID: 0009-0002-2190-6058
К.Д.Алексеева1, инж., ORCID: 0000-0002-2058-8740
Е.С.Шитова2, вед. эксп., ORCID: 0000-0002-9085-4813
Н.А.Литовченко2, гл. спец., ORCID: 0000-0001-7568-5655
А.В.Ерохина2, спец., ORCID: 0009-0003-7349-1656
А.П.Пономаренко2, нач. упр., ORCID: 0000-0003-0220-1597
А.В.Глебов2, к.т.н., зам. дир., ORCID: 0009-0003-9612-5050
Ф.В.Макаров2, д.т.н., гл. эксп., ORCID: 0000-0002-5713-2974
Е.М.Глебова2, к.т.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0001-8388-5980
Р.Г.Захаров2, гл. спец., ORCID: 0009-0007-3250-523Х
И.С.Осипов2, спец., ORCID: 0009-0001-0299-9925
Аннотация. В работе представлены результаты исследования по определению толщины металлических покрытий на углеродных волокнах и микроструктуры металломатричных композиционных материалов на основе алюминия, армированного модифицированными углеродными волокнами. В качестве модификатора для углеродных волокон выступали защитные покрытия из металлов, такие как никель и медь. Данные покрытия позволили осуществить пропитку углеродного волокна расплавом алюминия с применением жидкофазного метода и получить высокоармированные металломатричные композиционные материалы с объемным содержанием углеродного волокна 72–75%.
Ключевые слова: металломатричные композиционные материалы, углеродное волокно, жидкофазный метод, покрытие, алюминий
Для цитирования: В.И. Румянцев, С.В. Агафонов, М.А. Юрков, А.А. Федоткова, К.Д. Алексеева, Е.С. Шитова, Н.А. Литовченко, А.В. Ерохина, А.П. Пономаренко, А.В. Глебов, Ф.В. Макаров, Е.М. Глебова, Р.Г. Захаров, И.С. Осипов. Исследование микроструктуры металломатричных композиционных материалов на основе алюминия, армированного модифицированными углеродными волокнами. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 6. С. 370–378. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2025.18.6.370.378.
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день к конструкционным материалам (КМ) предъявляются все более высокие требования, выполнение которых является актуальной задачей современной технической и инженерной мысли. Одними из перспективных претендентов на роль таких КМ являются металломатричные композиционные материалы (МКМ), которые представляют собой армированные наполнителем (частицы, короткие или непрерывные волокна) металлы и их сплавы [1]. Интересно использование в качестве матрицы в таких КМ чистого алюминия или его сплавов. МКМ на основе алюминия или его сплавов, армированные углеродными волокнами (C/Al), обладают низким весом, высокими механическими характеристиками и теплопроводностью [2]. Именно эти достоинства открывают C/Al-композитам дорогу в различные области применения: машиностроение, аэрокосмическая отрасль и т.д.
В основном для получения МКМ на основе алюминия и углеродных волокон используют жидкофазные методы, то есть когда происходит инфильтрация расплавленным алюминием пористой волокнистой заготовки из углеродных волокон, так как этот метод позволяет быстро изготавливать детали, близкие к заданной форме [3, 4]. Однако, алюминий не смачивает поверхность углеродного волокна (УВ) до температуры 1047 °С, что не позволяет получать МКМ на основе алюминия и углеродных волокон в интервале температур от 700 до 800 °С, которые предпочтительны для метода литья [5]. Для улучшения смачиваемости расплавом алюминия углеродного волокна возможно проведение процесса изготовления МКМ при температурах более 1047 °С, однако при температурах более 900 °C возможно химическое взаимодействие расплава алюминия и углеродных волокон, которое сопровождается образованием карбида алюминия Al4C3, что приводит к снижению уровня механических характеристик и коррозионной стойкости во влажной среде МКМ [6].
Для улучшения смачивания алюминием поверхности армирующей фазы на поверхность углеродных волокон целесообразно наносить покрытия никеля, меди, хрома и др. [7].
В настоящее время производством коммерчески доступных непрерывных углеродных волокон с металлическими (медь или никель) покрытиями занимаются в Германии (фирма Inca-Fiber GmbH), Южной Корее (фирма BSM Co., Ltd.), Японии (Toho Tenax Co., Ltd), США (RTP Company) и др. странах, однако в России нет коммерчески доступных непрерывных углеродных волокон с металлическими покрытиями. В связи с этим на сегодняшний день является актуальным разработка промышленной технологии изготовления углеродных волокон с металлическими покрытиями, которые можно использовать для изготовления МКМ на основе алюминия и его сплавов с высокими физико-механическими свойствами.
Специалистами ООО "Вириал" и АО "ВНИИНМ" им. А.А. Бочвара исследована микроструктура исходных углеродных волокон с покрытиями и металломатричных композиционных материалов на основе алюминия, армированных углеродными волокнами с покрытиями из металла, такими как никель и медь.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для изготовления образцов МКМ использовали алюминий марки А5М, немодифицированное УВ марки HTS45 (TohoTenax, Япония), УВ с никелевым покрытием (АО "ВНИИНМ", Россия), УВ с медным покрытием (АО "ВНИИНМ", Россия). Процесс жидкофазной инфильтрации алюминием немодифицированных и модифицированных (с покрытием) волокон осуществляли с использованием гидравлического пресса HP W 125 при удельном давлении прессования 6,9 МПа, температуре 800 °С в среде вакуума при давлении 5 ∙ 10–2 мбар.
УВ с покрытиями были изготовлены в АО "ВНИИНМ" им. А.А. Бочвара методом электрохимического осаждения. В качестве исходного волокна использовалось углеродное волокно марки UMT49-12K-EP диаметром 7 мкм (12 тыс. филаментов). Медное покрытие было получено из комплексного щелочного электролита, содержавшего соль меди, комплексообразователи и регулятор pH (щелочь). Никелевое покрытие было получено из кислого электролита, содержавшего соли никеля и регулятор pH (слабую кислоту).
Измерение толщины покрытия на УВ и объемного содержания УВ в МКМ проводили с использованием оптического микроскопа Leica DM 2500 M и программного пакета анализа изображений "ВидеоТест – Структура 5.2".
Исследование распределения элементов на межфазной границе "алюминий – покрытие – углеродное волокно" в образцах МКМ осуществляли при помощи растрового электронного микроскопа (РЭМ) "Auriga от Carl Zeiss" с применением энергодисперсионной спектрометрии (ЭДС).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис.1 представлена фотография поперечного среза участка пучка из УВ с никелевым покрытием марки Н1.
При исследовании методом оптической микроскопии никелевого покрытия на УВ (см. рис.1) было установлено, что толщина никелевого покрытия на углеродном волокне находится в интервале от 0,9 до 1,6 мкм.
На рис.2 представлена фотография поперечного среза участка пучка из УВ с медным покрытием марки М1.
При исследовании поперечного среза пучка из УВ с медным покрытием марки М1 (см.рис. 2) было установлено, что толщина медного покрытия на УВ находится в интервале от 0,6 до 1,1 мкм.
В табл.1 приведены результаты по измерению толщины металлических покрытий на углеродных волокнах, которые в дальнейшем использовались для получения МКМ.
На рис.3 представлена фотография микроструктуры образца после проведения процесса жидкофазной инфильтрации с использованием гидравлического пресса HP W 125 на основе УВ без покрытия и алюминиевой фольги А5М.
В результате анализа микроструктуры образца (см. рис.3) на основе УВ без покрытия и алюминиевой фольги А5М было установлено, что инфильтрация пучка из УВ без покрытия расплавом алюминия практически не произошла из-за плохой смачиваемости алюминием УВ при температуре 800 °С.
Микроструктура образца МКМ на основе УВ с никелевым покрытием и алюминием марки А5М представлена на рис.4.
В результате анализа микроструктуры образца МКМ на основе алюминия марки А5М и УВ с никелевым покрытием (см. рис.4) было установлено, что присутствие никелевого покрытия значительно улучшило качество инфильтрации УВ алюминием, что позволило получить МКМ без пор и полостей. При анализе фотографии микроструктуры МКМ на основе алюминия марки А5М и УВ с никелевым покрытием Н1 с использованием программного пакета анализа изображений "ВидеоТест – Структура 5.2" было установлено, что объемная доля УВ в матрице из алюминия марки А5М составляет около 72%.
Микроструктура образца МКМ на основе углеродного волокна с медным покрытием марки М1 и алюминием марки А5М представлена на рис.5.
Из снимка микроструктуры образца МКМ на основе алюминия марки А5М и УВ с медным покрытием марки (см. рис.5) следует, что наличие медного покрытия на УВ также положительно сказалось на инфильтрации волокна расплавом алюминия, позволив металлу пропитать пучок УВ с незначительным количеством закрытых пор в межволоконном пространстве. В результате анализа микроструктуры МКМ на основе алюминия марки А5М и УВ с медным покрытием марки М1 (см. рис.5) с целью определения объемного содержания волокна в композите, осуществляемое при помощи программного пакета анализа изображений "ВидеоТест – Структура 5.2", было установлено, что объемная доля УВ в матрице из алюминия марки А5М составляет около 75%.
На рис.6(a–c) представлена фотография, которая получена на РЭМ Auriga от Carl Zeiss, фрагмента микроструктуры МКМ на основе алюминия марки А5М и УВ с никелевым покрытием марки Н1.
Микроструктура поверхности образца МКМ на основе углеродного волокна с медным покрытием и алюминием марки А5М, выполненная с растровой электронной микроскопией на РЭМ Auriga от Carl Zeiss представлена на рис.7 (а–e).
Из приведенных фотографий (см. рис.6–7) видно, что не по всему периметру углеродного волокна сохранилось никелевое (см. рис.6а) и медное (см. рис.7а) покрытия, а алюминиевая матрица вплотную прилегает к углеродным волокнам, что говорит о том, что металлические барьерные покрытия выполнили свою функцию в части улучшения смачиваемости алюминиевым расплавом металлических покрытий на углеродном волокне.
ВЫВОДЫ
Изучение микроструктуры полученных МКМ с УВ показало влияние металлических (никелевого и медного) покрытий на полноту пропитки волокна алюминием в заданных условиях (при 800 °С и давлении 6,9 МПа).
При инфильтрации расплавом пучков УВ без барьерных покрытий наблюдалось отсутствие проникновения матричного металла внутрь пучка вследствие низкой смачиваемости УВ.
В свою очередь наличие медного или никелевого покрытия приводит к удовлетворительной пропитке пучка УВ, что позволяет получать высокоармированные МКМ с объемным содержанием УВ в 72–75%. Наличие пор в микроструктуре образца МКМ с медным покрытием свидетельствует о необходимости использования более высокого давления при изготовлении МКМ.
Замечено, что в процессе инфильтрации модифицированного углеродного волокна медное и никелевое покрытия разрушаются и переходят в объем матричного алюминия. Несмотря на это, покрытие в полной мере выполняет защитную функцию и функцию обеспечения смачиваемости углеродного волокна в процессе инфильтрации расплавом алюминия.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Жабин А.Н., Сидоров Д.В., Няфкин А.Н. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей (обзор). Труды ВИАМ. 2021. № 6(100). С. 27–35.
Huang Y. et al. Carbon Materials Reinforced Aluminum Composites: A Review. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2014. Vol. 27. Is. 5. PP. 775–786. https://doi.org/10.1007/s40195-014-0160-1
Arunkumar S. et al. Materials Today: Proceedings A Review on Aluminium Matrix Composite with Various Reinforcement Particles and Their Behaviour. Materials Today Proceedings. 2020. Vol. 33. PP. 484–490. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.053
Srinivasan R. et al. Materials Today: Proceedings Prediction of Wear Strength of Squeeze Cast Aluminium Hybrid Metal Matrix Composites Using Response Surface Methodology. Materials Today Proceedings. 2020. Vol. 27. PP. 1806–1811. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.779
Ramos-masana A., Colominas C. Surface & Coatings Technology Evaluation of DC-MS and HiPIMS TiB2 and TaN Coatings as Diffusion Barriers against Molten Aluminum: An Insight into the Wetting Mechanism. Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 375. PP. 171–181. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.06.031
Yuan M. et al. The Role of Al4C3 Morphology in Tensile Properties of Carbon Fiber Reinforced 2024 Aluminum Alloy during Thermal Exposure. Materials. 2022. Vol. 15. Is. 24. P. 8828. https://doi.org/10.3390/ma15248828
Костиков В.И., Варенков А.Н. Композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, армированных углеродными волокнами. М.: "Интермет Инжиниринг", 2000. 446 c.
Научная статья
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, АРМИРОВАННОГО МОДИФИЦИРОВАННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ
В.И.Румянцев1, к.т.н., ген. дир., ORCID: 0009-0000-3340-7622
С.В.Агафонов1, дир., ORCID: 0009-0005-5058-5267
М.А.Юрков1, к.т.н., рук. гр., ORCID: 0009-0003-4228-2405 / YurkovMA@virial.ru
А.А.Федоткова1, вед. инж., ORCID: 0009-0002-2190-6058
К.Д.Алексеева1, инж., ORCID: 0000-0002-2058-8740
Е.С.Шитова2, вед. эксп., ORCID: 0000-0002-9085-4813
Н.А.Литовченко2, гл. спец., ORCID: 0000-0001-7568-5655
А.В.Ерохина2, спец., ORCID: 0009-0003-7349-1656
А.П.Пономаренко2, нач. упр., ORCID: 0000-0003-0220-1597
А.В.Глебов2, к.т.н., зам. дир., ORCID: 0009-0003-9612-5050
Ф.В.Макаров2, д.т.н., гл. эксп., ORCID: 0000-0002-5713-2974
Е.М.Глебова2, к.т.н., вед. науч. сотр., ORCID: 0000-0001-8388-5980
Р.Г.Захаров2, гл. спец., ORCID: 0009-0007-3250-523Х
И.С.Осипов2, спец., ORCID: 0009-0001-0299-9925
Аннотация. В работе представлены результаты исследования по определению толщины металлических покрытий на углеродных волокнах и микроструктуры металломатричных композиционных материалов на основе алюминия, армированного модифицированными углеродными волокнами. В качестве модификатора для углеродных волокон выступали защитные покрытия из металлов, такие как никель и медь. Данные покрытия позволили осуществить пропитку углеродного волокна расплавом алюминия с применением жидкофазного метода и получить высокоармированные металломатричные композиционные материалы с объемным содержанием углеродного волокна 72–75%.
Ключевые слова: металломатричные композиционные материалы, углеродное волокно, жидкофазный метод, покрытие, алюминий
Для цитирования: В.И. Румянцев, С.В. Агафонов, М.А. Юрков, А.А. Федоткова, К.Д. Алексеева, Е.С. Шитова, Н.А. Литовченко, А.В. Ерохина, А.П. Пономаренко, А.В. Глебов, Ф.В. Макаров, Е.М. Глебова, Р.Г. Захаров, И.С. Осипов. Исследование микроструктуры металломатричных композиционных материалов на основе алюминия, армированного модифицированными углеродными волокнами. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 6. С. 370–378. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2025.18.6.370.378.
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день к конструкционным материалам (КМ) предъявляются все более высокие требования, выполнение которых является актуальной задачей современной технической и инженерной мысли. Одними из перспективных претендентов на роль таких КМ являются металломатричные композиционные материалы (МКМ), которые представляют собой армированные наполнителем (частицы, короткие или непрерывные волокна) металлы и их сплавы [1]. Интересно использование в качестве матрицы в таких КМ чистого алюминия или его сплавов. МКМ на основе алюминия или его сплавов, армированные углеродными волокнами (C/Al), обладают низким весом, высокими механическими характеристиками и теплопроводностью [2]. Именно эти достоинства открывают C/Al-композитам дорогу в различные области применения: машиностроение, аэрокосмическая отрасль и т.д.
В основном для получения МКМ на основе алюминия и углеродных волокон используют жидкофазные методы, то есть когда происходит инфильтрация расплавленным алюминием пористой волокнистой заготовки из углеродных волокон, так как этот метод позволяет быстро изготавливать детали, близкие к заданной форме [3, 4]. Однако, алюминий не смачивает поверхность углеродного волокна (УВ) до температуры 1047 °С, что не позволяет получать МКМ на основе алюминия и углеродных волокон в интервале температур от 700 до 800 °С, которые предпочтительны для метода литья [5]. Для улучшения смачиваемости расплавом алюминия углеродного волокна возможно проведение процесса изготовления МКМ при температурах более 1047 °С, однако при температурах более 900 °C возможно химическое взаимодействие расплава алюминия и углеродных волокон, которое сопровождается образованием карбида алюминия Al4C3, что приводит к снижению уровня механических характеристик и коррозионной стойкости во влажной среде МКМ [6].
Для улучшения смачивания алюминием поверхности армирующей фазы на поверхность углеродных волокон целесообразно наносить покрытия никеля, меди, хрома и др. [7].
В настоящее время производством коммерчески доступных непрерывных углеродных волокон с металлическими (медь или никель) покрытиями занимаются в Германии (фирма Inca-Fiber GmbH), Южной Корее (фирма BSM Co., Ltd.), Японии (Toho Tenax Co., Ltd), США (RTP Company) и др. странах, однако в России нет коммерчески доступных непрерывных углеродных волокон с металлическими покрытиями. В связи с этим на сегодняшний день является актуальным разработка промышленной технологии изготовления углеродных волокон с металлическими покрытиями, которые можно использовать для изготовления МКМ на основе алюминия и его сплавов с высокими физико-механическими свойствами.
Специалистами ООО "Вириал" и АО "ВНИИНМ" им. А.А. Бочвара исследована микроструктура исходных углеродных волокон с покрытиями и металломатричных композиционных материалов на основе алюминия, армированных углеродными волокнами с покрытиями из металла, такими как никель и медь.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для изготовления образцов МКМ использовали алюминий марки А5М, немодифицированное УВ марки HTS45 (TohoTenax, Япония), УВ с никелевым покрытием (АО "ВНИИНМ", Россия), УВ с медным покрытием (АО "ВНИИНМ", Россия). Процесс жидкофазной инфильтрации алюминием немодифицированных и модифицированных (с покрытием) волокон осуществляли с использованием гидравлического пресса HP W 125 при удельном давлении прессования 6,9 МПа, температуре 800 °С в среде вакуума при давлении 5 ∙ 10–2 мбар.
УВ с покрытиями были изготовлены в АО "ВНИИНМ" им. А.А. Бочвара методом электрохимического осаждения. В качестве исходного волокна использовалось углеродное волокно марки UMT49-12K-EP диаметром 7 мкм (12 тыс. филаментов). Медное покрытие было получено из комплексного щелочного электролита, содержавшего соль меди, комплексообразователи и регулятор pH (щелочь). Никелевое покрытие было получено из кислого электролита, содержавшего соли никеля и регулятор pH (слабую кислоту).
Измерение толщины покрытия на УВ и объемного содержания УВ в МКМ проводили с использованием оптического микроскопа Leica DM 2500 M и программного пакета анализа изображений "ВидеоТест – Структура 5.2".
Исследование распределения элементов на межфазной границе "алюминий – покрытие – углеродное волокно" в образцах МКМ осуществляли при помощи растрового электронного микроскопа (РЭМ) "Auriga от Carl Zeiss" с применением энергодисперсионной спектрометрии (ЭДС).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис.1 представлена фотография поперечного среза участка пучка из УВ с никелевым покрытием марки Н1.
При исследовании методом оптической микроскопии никелевого покрытия на УВ (см. рис.1) было установлено, что толщина никелевого покрытия на углеродном волокне находится в интервале от 0,9 до 1,6 мкм.
На рис.2 представлена фотография поперечного среза участка пучка из УВ с медным покрытием марки М1.
При исследовании поперечного среза пучка из УВ с медным покрытием марки М1 (см.рис. 2) было установлено, что толщина медного покрытия на УВ находится в интервале от 0,6 до 1,1 мкм.
В табл.1 приведены результаты по измерению толщины металлических покрытий на углеродных волокнах, которые в дальнейшем использовались для получения МКМ.
На рис.3 представлена фотография микроструктуры образца после проведения процесса жидкофазной инфильтрации с использованием гидравлического пресса HP W 125 на основе УВ без покрытия и алюминиевой фольги А5М.
В результате анализа микроструктуры образца (см. рис.3) на основе УВ без покрытия и алюминиевой фольги А5М было установлено, что инфильтрация пучка из УВ без покрытия расплавом алюминия практически не произошла из-за плохой смачиваемости алюминием УВ при температуре 800 °С.
Микроструктура образца МКМ на основе УВ с никелевым покрытием и алюминием марки А5М представлена на рис.4.
В результате анализа микроструктуры образца МКМ на основе алюминия марки А5М и УВ с никелевым покрытием (см. рис.4) было установлено, что присутствие никелевого покрытия значительно улучшило качество инфильтрации УВ алюминием, что позволило получить МКМ без пор и полостей. При анализе фотографии микроструктуры МКМ на основе алюминия марки А5М и УВ с никелевым покрытием Н1 с использованием программного пакета анализа изображений "ВидеоТест – Структура 5.2" было установлено, что объемная доля УВ в матрице из алюминия марки А5М составляет около 72%.
Микроструктура образца МКМ на основе углеродного волокна с медным покрытием марки М1 и алюминием марки А5М представлена на рис.5.
Из снимка микроструктуры образца МКМ на основе алюминия марки А5М и УВ с медным покрытием марки (см. рис.5) следует, что наличие медного покрытия на УВ также положительно сказалось на инфильтрации волокна расплавом алюминия, позволив металлу пропитать пучок УВ с незначительным количеством закрытых пор в межволоконном пространстве. В результате анализа микроструктуры МКМ на основе алюминия марки А5М и УВ с медным покрытием марки М1 (см. рис.5) с целью определения объемного содержания волокна в композите, осуществляемое при помощи программного пакета анализа изображений "ВидеоТест – Структура 5.2", было установлено, что объемная доля УВ в матрице из алюминия марки А5М составляет около 75%.
На рис.6(a–c) представлена фотография, которая получена на РЭМ Auriga от Carl Zeiss, фрагмента микроструктуры МКМ на основе алюминия марки А5М и УВ с никелевым покрытием марки Н1.
Микроструктура поверхности образца МКМ на основе углеродного волокна с медным покрытием и алюминием марки А5М, выполненная с растровой электронной микроскопией на РЭМ Auriga от Carl Zeiss представлена на рис.7 (а–e).
Из приведенных фотографий (см. рис.6–7) видно, что не по всему периметру углеродного волокна сохранилось никелевое (см. рис.6а) и медное (см. рис.7а) покрытия, а алюминиевая матрица вплотную прилегает к углеродным волокнам, что говорит о том, что металлические барьерные покрытия выполнили свою функцию в части улучшения смачиваемости алюминиевым расплавом металлических покрытий на углеродном волокне.
ВЫВОДЫ
Изучение микроструктуры полученных МКМ с УВ показало влияние металлических (никелевого и медного) покрытий на полноту пропитки волокна алюминием в заданных условиях (при 800 °С и давлении 6,9 МПа).
При инфильтрации расплавом пучков УВ без барьерных покрытий наблюдалось отсутствие проникновения матричного металла внутрь пучка вследствие низкой смачиваемости УВ.
В свою очередь наличие медного или никелевого покрытия приводит к удовлетворительной пропитке пучка УВ, что позволяет получать высокоармированные МКМ с объемным содержанием УВ в 72–75%. Наличие пор в микроструктуре образца МКМ с медным покрытием свидетельствует о необходимости использования более высокого давления при изготовлении МКМ.
Замечено, что в процессе инфильтрации модифицированного углеродного волокна медное и никелевое покрытия разрушаются и переходят в объем матричного алюминия. Несмотря на это, покрытие в полной мере выполняет защитную функцию и функцию обеспечения смачиваемости углеродного волокна в процессе инфильтрации расплавом алюминия.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Жабин А.Н., Сидоров Д.В., Няфкин А.Н. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей (обзор). Труды ВИАМ. 2021. № 6(100). С. 27–35.
Huang Y. et al. Carbon Materials Reinforced Aluminum Composites: A Review. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2014. Vol. 27. Is. 5. PP. 775–786. https://doi.org/10.1007/s40195-014-0160-1
Arunkumar S. et al. Materials Today: Proceedings A Review on Aluminium Matrix Composite with Various Reinforcement Particles and Their Behaviour. Materials Today Proceedings. 2020. Vol. 33. PP. 484–490. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.053
Srinivasan R. et al. Materials Today: Proceedings Prediction of Wear Strength of Squeeze Cast Aluminium Hybrid Metal Matrix Composites Using Response Surface Methodology. Materials Today Proceedings. 2020. Vol. 27. PP. 1806–1811. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.779
Ramos-masana A., Colominas C. Surface & Coatings Technology Evaluation of DC-MS and HiPIMS TiB2 and TaN Coatings as Diffusion Barriers against Molten Aluminum: An Insight into the Wetting Mechanism. Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 375. PP. 171–181. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.06.031
Yuan M. et al. The Role of Al4C3 Morphology in Tensile Properties of Carbon Fiber Reinforced 2024 Aluminum Alloy during Thermal Exposure. Materials. 2022. Vol. 15. Is. 24. P. 8828. https://doi.org/10.3390/ma15248828
Костиков В.И., Варенков А.Н. Композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, армированных углеродными волокнами. М.: "Интермет Инжиниринг", 2000. 446 c.
Отзывы читателей
