Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Исследование микроструктуры образцов позволили сделать следующие выводы: 1. Диаметр углеволокна в композите существенно меньше исходной величины. По-видимому, часть массы волокна, растворяясь в матрице, формирует цементит и упрочняет матрицу. При этом сохраняется волоконное армирование. 2. Исходная матрица превращается в нелегированную стальную, армированную остатками углеволокна. Некоторым подтверждением этому утверждению можно считать результаты элементного анализа поперечного сечения образцов. По содержанию углерода в матрице она близка стали 35. Результаты систематического исследования зависимости структуры от типа волокна (величины модуля Юнга использованных волокон ЛУ- II 230 ГПа, UMT49 - 260 ГПа Кулон – 400 ГПа, UMT430 - 430 ГПа) показали, что ожидаемого роста стабильности волокна в железной матрице с ростом ориентации графитовых наноплоскостей относительно оси волокна не обнаружено. Полученные данные по влиянию режимов горячего прессования, спекания и термообработки на структуру композитов дали ожидаемый результат: с ростом температуры и времени технологических процессов горячего спекания и термообработки, включающей выдержку при определённой температуре и охлаждение образцов с печью, увеличивается доля материала волокна, уходящего в матрицу. Перспективность разрабатываемых композитов демонстрирует сравнение их механических характеристик и свойств стали 35: введение «остатков» углеволокна существенно упрочняет матрицу, близкую по составу к стали 35. Исследование трещиностойкости композитов, отличающихся высокой прочностью, показало: 1. В композитных образцах с надрезом, полученных в исследованных режимах и составах, надрез, превращаясь с ростом нагрузки в трещину, ведёт себя характерным для трещины в композите с металлической матрицей образом. 2. С ростом прочности растёт и трещиностойкость. 3. Этот рост (от 15 до 23 МПа.м1/2), однако, нельзя признать значительным, и одной из задач, которую следует решать во втором году работы по проекту, является поиск более трещиностойких структур

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Произведен выбор нержавеющей стали в качестве основной матрицы и типов волокна для угле-стальных композитов. Оказалось невозможным a. затормозить растворение углерода в матрице, если таковое вообще возможно; b. увеличить вклад матрицы в прочность композита; c. увеличить объёмное содержание волокна в композите. В итоге не удалось достичь указанных целей из-за активного взаимодействия легирующих элементов с углеродом. Это закрывает практически использование легированного железа в качестве матицы для углеволокна. 2. Зависимости структуры со стальными матрицами от объёмного содержания волокна, интенсивности перемешивания смеси порошка и волокна, режимов спекания и термообработки были проведены, но дали отрицательные результаты. 3. Исследована трещиностойкость угле-железных композитов, отличающихся высокой прочностью. Этот пункт представляется необходимым и принципиально важным, поскольку a. В работе первого года показано, что трещиностойкость полученных композитных образцов недостаточно высока несмотря на то, что качественно разрабатываемые композиты ведут себя в этом отношении аналогично высокопрочным и высоко-трещиностойким композитам с металлической матрицей и хрупким армирующим волокном. b. Качественное подобие, указанное в предыдущим пункте, необходимо перевести в количественное. c. Если указанное количественное соответствие будет достигнуто, будет получено семейство принципиально новых и практически полезных во многих отраслях техники конструкционных материалов. Следует заметить, что в силу ограниченности возможностей проекта (три исполнителя и ограниченный бюджет при возможно больших затратах на покупку исходных материалов) предложенный план и может корректироваться с учётом получаемых по ходу работы данных, но они (данные) могут послужить основой для продолжения работы. Далее докладываются полученные результаты в указанных направлениях с сохранением нумерации разделов. 1. Выбор сталей, легированных различными элементами, в качестве основной матрицы и типа волокна для угле-стальных композитов Во втором году были вначале продолжены эксперименты по армированию образцов из карбонильного железа более высокомодульным волокном UMT430 в надежде ограничить химическое взаимодействие углерода и железа. Образцы изготавливались по стандартной методике горячего прессования на лабораторной установке УГП-100. Было обнаружено, что при температурах около 1000оС волокно продолжает интенсивно взаимодействовать с матрицей. Получасовой выдержки достаточно для образования цепочки карбидных включений на месте волоконного филамента. Следующим вариантом армирования стало использование аппретированного волокна UMT-49-12k. Волокна укладывались слоями между слоями порошка матрицы. При этом оказалось, что наличие аппрета на поверхности волокна существенно снижает скорость взаимодействия с порошком железа вплоть до полного отсутствия взаимодействия. Для того чтобы исключить процедуру удаления аппрета, делающую последующее обращение с волокном крайне затруднительным, была предпринята попытка использовать волокно марки ЭЛУР. К сожалению, видимо, более разупорядоченная молекулярная структура филаментов по сравнению с UMT430 обеспечивает еще большую скорость реакции углерода с железом в процессе прессования. Результатом является практически полное растворение волокна с образованием ореола карбидных включений вокруг его оси. Поскольку снижение температуры спекания материала существенно сказывается на остаточной пористости материала, температурный канал регулирования скорости химической реакции железо-углерод, является, по сути, недоступным. Результатом явилась попытка сменить материал матрицы на широко используемую матрицу 12Х18Н10 в надежде на снижение химической активности железа в данном порошке. С учетом высокой пластичности данного материала начальную температуру спекания выбрали равной 750 оС. В качестве волокна использовали безаппретное волокно ЭЛУР с одержанием 10 об.%. Приготовление шихты проводилось в высокоскоростной лабораторной мельнице. Основным критерием пригодности шихты для спекания служила усредненная остаточная длина филаментов волокна, составлявшая 2-4 мм. Поверхность разрушения образца Z8011, полученного при 750 оС. Отчетливо видны сохранившиеся углеволокна, покрытые достаточно толстыми оболочками карбидов. Была предпринята попытка уменьшить пористость материала путем повышения температуры спекания до 900 оС. Но, это привело к заметному увеличению толщины рубашки на волокне и резкому уменьшению длины филаментов. И, как следствие, к значительному снижению прочности материала. Снижение температуры спекания до 800 оС не дало значительного улучшения как структуры, так и механических свойств материала. Причину иллюстрируют СЭМ-фото поверхности разрушения образца Z8012. Очевидно, с ростом температуры значительно повышается скорость реакции компонентов матрицы с углеродом волокна, что увеличивает толщину карбидной рубашки, приводя к избыточной фрагментации волокон и заметному уменьшению прочности материала. Таким образом, легирование железа, особенно такими элементами как хром, приводит при температурах, достаточных для формирования беcпористой высокопрочной структуры композита. 2. Зависимость структуры и прочности образцов со стальными матрицами от объёмного содержания волокна, интенсивности перемешивания смеси порошка и волокна, режимов спекания и термообработки Поскольку стальные матрицы оказались непригодными в качестве компонента композита с углеволокном, этот пункт плана следует считать ненужным. Заметим, что такой вывод является результатом исследований в новой области. 3. Исследование трещиностойкости угле-стальных композитов Поскольку выяснилось (см. предыдущие пункты отчета), что в отличие от чистого железа в качестве матрицы, стальные матрицы вряд ли могут быть реализованы в композитных структурах с углеволокном в качестве армирующего агента, было принято решение сосредоточиться на исследовании трещиностойкости угле-железных композитов. Выводы 1) Использование в качестве матрицы для углеволокна легированного железа (сталей) с целью использования композитов при повышенных температурах и дальнейшего, по сравнению, со случаем железной матрицы, представляется в настоящее время невозможным: легирующие элементы, взаимодействуя химически с углеродом, прекращает действие углеволокна как армирующего средства. 2) Высокопрочные композиты углеволокно-железо характеризуются повышенной тещиностойкостью. В этом качестве композиты рассматриваемого типа могут быть перспективными материалами порошковой металлургии в качестве замены более дорогих высокопрочных сталей 3) Железный Век, породив огромное семейство разнообразных сталей, углеволокну, родившемуся в разгар Века, оставил лишь небольшую нишу взаимодействия с целью получения полезных конструкционных материала.