1.6. Патентное исследование способов производства композиционных материалов
Были исследованы патенты с глубиной выборки 10 лет для патентов России/СССР. Кратко рассмотрим некоторые из существующих патентов и проанализируем их достоинства и недостатки.
Общей проблемой, с которой сталкиваются при применении предварительно отформованных заготовок, полученных из волокон, является то, что матрица не может впитываться достаточно и равномерно между пучками элементарных нитей усиливающих волокон.
Междоузельное пространство внутри пучков волокон часто значительно меньше, чем пространство между пучками волокон, используемых для получения предварительно отформованной заготовки, и, следовательно, степень пропитки пучков по отношению к пропитке заготовки становится недостаточной.Известен способ [73] изготовления композиционных и слоистых материалов, усиленных непрерывными или длинными волокнами и/или нитями, с матрицей, например, металлической, заключающийся в том, что:
а) формируют заготовку-полуфабрикат из армирующего материала посредством размещения ленты, состоящей из множества непрерывных, продольно ориентированных волокон или нитей, которые разнесены друг от друга равномерно распределенными частицами, например, из титанового сплава, связанными эластичным связующим (полистирольным, акрильным), которые удаляют в процессе горячего прессования;
б) заполняют полости и пустоты образующейся структуры волокнистой ленты материалом матрицы, в данном случае, металлом [71].
Известен способ изготовления композиционных материалов летальных аппаратов, включающий смешение коротких волокон (монокристаллических усов) с материалом неорганической матрицы и последующее формование [72].
Рассматриваемый способ [73], отличается от выше известного видом коротких волокон, полученных измельчением неспеченной ленты из непрерывных волокон, соединенных определенным образом эластичным связующим.
В данном патенте указывается [73], что правильная и устойчивая ориентация длинных или сплошных армирующих волокон или нитей легко достигается, когда множество длинных или сплошных усиливающих волокон или нитей, например, жгут волокна, прядь или пучок таких волокон или нитей уложены в один слой, либо ограниченное количество множества слоев, волокон или нитей разнесены частицами, гранулами, пластинками, усами или чешуйками, которые равномерно распределены между волокнами или нитями и закреплены посредством эластичного, органического или другого связующего для получения неспеченной ленты, узкой полоски, листа или ткани, причем такую ленту, полоску, лист или ткань можно разместить (например, посредством оплетки, прессования, наслаивания, способом получения одноосно ориентированного волокнистого пластика, прикатки, намотки или ткачества) для получения предварительно отформованной заготовки, в которой волокна/нити защищены во время обработки/формования, при этом ориентация и разнесение волокон или нитей поддерживается связующим.
Затем эти предварительно отформованные заготовки используют в качестве армирующей конструкции при изготовлении улучшенных композиционных и слоистых материалов, в частности композиционных материалов на основе графита, керамики, стеклокерамики, металла и интерметаллических соединений.Согласно одному признаку изобретение касается улучшенного способа получения композиционных и слоистых материалов армированных сплошными или длинными волокнами и/или нитями, например, для получения армированных композиционных материалов с графитовой матрицей, с керамической матрицей со стеклянной матрицей, с стеклокерамической матрицей, металлической матрицей, с интерметаллической матрицей, с цементной, бетонной, алмазной или гипсовой матрицей и усиленные полимеры, причем способ заключается в
последовательных стадиях: а) формуют заготовку из усиливающего материала путем (например, посредством оплетки, прессования, наслаивания, укладки, намотки и/или ткачества) неспеченной ленты, полоски, листа или ткани, состоящей из множества непрерывных, продольно ориентированных волокон или нитей, которые разнесены друг от друга равномерно распределенными частицами, связанными эластичным связующим; в) удаляют или трансформируют большую часть связующего и, если это требуется, то с) частично или полностью заполняют пустоты полости материалом матрицы.
Согласно изобретению [73] предлагается способ получения композиционных и слоистых материалов, армированных ориентированными измельченными волокнами и/или нитями, который заключается в резании на отрезки неспеченной ленты или полосы, состоящей из множества непрерывных, продольно ориентированных волокон или нитей, которые разнесены друг от друга равномерно распределенными частицами, связанными гибким связующим, произвольном смешении измельченной ленты или полосы с связующим, смазкой и/или материалом матрицы и формовании из этой смеси заготовок посредством центробежного формования, прямого прессования, литьевого, реакционного, экструзионного формования, литья без давления, вакуумного или другого формования. Предпочтительно способ включает в себя дополнительно, после стадии формования, стадию удаления или переработки большой части связующего.
Существенным признаком изобретения [73] является то, что в качестве исходного материала для изготовления заготовки или приготовления смеси для литьевого формования, состоящей из измельченной ленты или полосы и возможно дополнительного связующего, смазки и/или материала матрицы, применяют необработанную ленту, полосу, лист или полотно, состоящую из множества непрерывных, продольно ориентированных волокон или нитей, которые разнесены друг от друга определенным количеством равномерно распределенных частиц заданного размера, связанных эластичным связующим. Такие ленты или узкие полосы предпочтительно содержат определенное
количество частиц матрицы, смешанных с определенным количеством эластичного связующего, следовательно их можно легко разместить в заготовке требуемой формы и при этом поддерживать ориентацию и разнесение нитей и распределения частиц прослойки.
Кроме этого известен еще ряд способов изготовления композиционных материалов с металлической матрицей, включающие заполнение армирующим компонентом матричного компонента, расплавление его, самопроизвольную пропитку расплавленным металлом армирующего компонента в присутствии усилителя пропитки [например 74, 75, 76, 77].
Основным недостатком изготовления композиционных материалов указанными выше способами является длительная самопроизвольная пропитка. Это загрязняет структуру сплава и насыщает его газами, что приводит к снижению механических свойств, а процесс становится дорогим. Все вышеописанные изобретения объединяет одно - матричный компонент в жидком виде вводится в заранее подготовленную структуру из армирующих нитей. При этом равномерность распределения нитей обеспечивается или вводом временного связующего, или воздействием на нити электрическим полем.Также известны различные способы изготовления дисперсно-упрочненных композиционных материалов [например 78, 79]. Основным отличием таких способов друг от друга является различие методов введения и распределения армирующего порошка по объему матричного компонента.