Металеві волокнисті матеріали

МЕТАЛЕ́ВІ ВОЛОКНИ́СТІ МАТЕРІА́ЛИ — металеві матеріали з волокни­стою структурою. М. в. м. почали роз­робляти у 2-й пол. 1940-х рр., коли виникла потреба у масовому виробництві для пром. цілей матеріалів з від­повід. комплексом фіз.-мех. властивостей. Осн. сировиною для виготовле­н­ня М. в. м. є тонкий дріт або будь-які ін. волокнисті метал. утворе­н­ня, що одержують за допомогою різних видів металооб­робле­н­ня у твердому, рідкому чи дис­перс. станах (волочі­н­ня, шевінгува­н­ня, шабрува­н­ня, екс­трудува­н­ня, шліцюва­н­ня). Гол. пром. метод отрима­н­ня вихід. дис­крет. волокон з необхід. спів­від­ноше­н­ням довжини до діаметра (за­звичай становить 50... 150) — різа­н­ня джгутів дроту. Іноді формува­н­ня напів­фабрикатів і виробів пресува­н­ням, вальцюва­н­ням та екс­трудува­н­ням усклад­­нено анізотропією роз­мірів окремих волокон, їхньою поганою сипкістю та невеликою насип. масою. Найчастіше з волокон після знежирюва­н­ня виготовляють повсть. Спосіб виготовле­н­ня метал. повсті подібний до технології, що за­стосовують у папер. виробництві, і є різновидом шлікер. лиття. Можливі кілька ва­ріантів повстюва­н­ня: рідин­не, повітряне, гравітаційне та вакуумне. При рідин. повстюван­ні готують суспензію з волокон у вʼязкій рідині, напр., гліцерині. Потім рідину від­смоктують, а отриманий шлам заливають у форму, де утворюється повсть зі зчеплених волокон. Найщільнішу повсть виготовляють при осаджен­ні коротких і товстих волокон. Пере­важно пористість повсті становить 70–98 %. При повітряному повстюван­ні, порівняно з рідин­ним, звʼязність й однорідність повсті дещо менші. Формува­н­ня під дією електр. або магніт. полів, а також віброоб­робле­н­ня до­зволяють отримувати повсть з орієнтов. роз­ташува­н­ням волокон. Під час виготовле­н­ня циліндрич. і втулк. заготовок най­ефективніше процес віброповстюва­н­ня здійснювати при частоті 50–100 Гц, амплітуді 40–50 мкм і піковій формі імпульсу коливань. Потім повсть обробляють за допомогою різних видів пресува­н­ня, вальцюва­н­ня, гарячого екс­трудува­н­ня або спіка­н­ня. Порівняно з контакт. характером ущільне­н­ня порошків з полегшеним пере­міще­н­ням частинок шляхом взаєм. ковза­н­ня, при ущільнен­ні метал. волокон виникає не тільки контактна, а й їхня зворотна пружна та незворотна пластична гнучка деформація. Це ускладнює зміще­н­ня та ковза­н­ня, тому прямі волокна в місцях контакту спочатку спіралізують.

Основними структурними елементами М. в. м. є від­різки волокон довжиною, що дорівнює середньо­статистичній між­контакт. від­далі, а не волокна в цілому. Від­ноше­н­ня за­значеної від­стані до діаметра волокон, разом з твердістю металу, характеризує по­єд­на­н­ня гнучкості та жорсткості як структур. елементів, так і всього волокнистого тіла. Пресува­н­ня М. в. м. су­проводжують значні зворотні обʼємні зміни, причому пружна післядія в напрямку прикладе­н­ня тиску пресува­н­ня пере­вищує таку в перпендикуляр. напрямку майже на порядок. Для зменше­н­ня ефекту пруж. післядії здійснюють додаткове пресува­н­ня заготовок з М. в. м. Вальцюва­н­ня до­зволяє формувати без­перервні лист. одно- та багатошар. М. в. м. з контрольов. пористістю. Завдяки спікан­ню досягають зміцне­н­ня М. в. м. Унаслідок релаксаційних властивостей зворот. деформацій, що роз­виваються в зразках М. в. м. після пресува­н­ня, волокнисті брикети, що готують для спіка­н­ня, містять у собі залишкової напруги. Під час спіка­н­ня за рахунок ліній. роз­шире­н­ня волокон від­бувається остаточне зня­т­тя цих напруг вже на ран­ніх стадіях процесу при на­гріван­ні до температури витримува­н­ня. І хоча надалі від­бувається усадже­н­ня пористих зразків, найчастіше встановлюється сумар. ефект прояву зворот. і незворотних деформацій у ви­гляді збільше­н­ня пресов. матеріалу. Тому використовують додатк. спіка­н­ня або спіка­н­ня під навантаже­н­ням. За­звичай температура спіка­н­ня зразків М. в. м. становить ~ 0,9 від абсолют. температури плавле­н­ня основи металу. Для зменше­н­ня температури та скороче­н­ня тривалості процесу спіка­н­ня проводять з додава­н­ням рідкої метал. фази або активують його введе­н­ням невеликих кількостей присадок. Після пресува­н­ня у М. в. м. встановлюється висока якість між­частк. контактів (до 30–40 % від ідеал., або без­пористого). Її оцінюють за кількіс. від­ноше­н­ням електро­провід­ності або швидкості пошире­н­ня пруж. хвиль для реал. М. в. м. до від­повід. характеристик ідеал. матеріалу. Встановлено, що ущільне­н­ня пористих М. в. м. не залежить від ступеня їхньої звʼяз-ності, тобто від якості між­частк. контактів: спечені пресов. матеріали з високою досконалістю контактів і повсть ущільнюються однаково. Але значна пластична деформація може призводити до руйнува­н­ня досконалих між­частк. контактів і до замінюва­н­ня їх недосконалими, що утворилися знову.

Як і у випадку деформації без­пористих матеріалів, на діа­грамах роз­тягува­н­ня пористих зразків М. в. м. виявлено лінійну ділянку, в межах якої від­буваються процеси від­повід­но до закону Гука. Роз­вантаже­н­ня таких зразків при напруже­н­нях, що пере­вищують межу пропорційності, су­проводжується явищем, що описують від­повід­но до закону пруж. роз­вантаже­н­ня. При цьому зменше­н­ня напруги є прямо пропорційним зменшен­ню деформації, а коефіцієнт пропорційності той же, що й при навантажен­ні зразків. Після остаточ. зня­т­тя навантаже­н­ня від­бувається залишк. пластична деформація, що дорівнює різниці повної та пруж. складових деформації. Це явище можливе за будь-якого циклу навантаже­н­ня–ро­з­вантаже­н­ня аж до початку руйнува­н­ня М. в. м. і свідчить про практичну сталість модуля пружності за межами пружності. Порівняно з ін. матеріалами, що сформовані з дис­перс. частинок, М. в. м. мають значно більшу міцність при різних видах навантаже­н­ня. У виробів з М. в. м. можна реалізувати практично необмежену пористість (до 98 %), що сприяє низькому гідравліч. опору та високому проникнен­ню рідин і газів. Їх виготовляють як простої, так і склад. форми, а також практично необмежених роз­мірів. При цьому можна за­стосовувати різні види мех. обробле­н­ня, зварюва­н­ня, пая­н­ня, склеюва­н­ня з метал., керам. і пластмас. елементами. М. в. м. за­стосовують як високоефективні фільтри тонкого очище­н­ня рідин і газів, вогнеперепинювачі, елементи високотемператур. кон­струкцій, демпфери мех. і акустич. коливань, захисні елементи від високочастот. електромагніт. ви­промінюва­н­ня, електроди хім. джерел струму, несні каркаси композиц. матеріалів, капілярні структури теплооб­мін. систем різного при­значе­н­ня тощо.