Лекция №1

План лекции

1. Требования, предъявляемые к современным конструкционным материалам ответственного назначения.

2. Причины, обусловившие применение металлических материалов в качестве конструкционных.

3. Необходимость создания композиционных материалов (КМ). Определение КМ.

4. Типичные примеры КМ.

5. КМ, рассматриваемые в курсе 4610.

6. Способы квалификации КМ.

7. Достоинства и недостатки КМ на металлической основе.

8. Требования к переходному слою волокна - матрица. Причины его возникновения. Основные пути оптимизации переходного слоя.

9. Три типа взаимодействия на поверхности раздела волокно-матрица.

10. Влияние типа взаимодействия на механические свойства КМ при растяжении.

11. Классификация композитных систем на основе типа взаимодействия на поверхности раздела.

12. Определение поверхности раздела, данное Мекталфом.

Современная техника предъявляет повышенные требования к материалам. В первую очередь это относится к материалам, используемым в динамических конструкциях, где требуется не только высокая прочность, но и малая масса. Ключевая проблема таких конструкций - квадратно-кубическая зависимость, прочность и жесткость конструкций повышается в увеличением квадрата линейных размеров (поперечное сечение), в то время как масса увеличивается с кубом линейных размеров. Еще одно из основных условий создания таких конструкций жесткость и устойчивость материала. Важным свойством последнего является удельный модуль упругости (отношение модуля упругости к сложности). Промышленные материалы, такие как сталь, алюминий, титан имеют близкие значения удельного модуля упругости, в пределах 3,5 * 10⁷ см. Бор и углерод, обладающие ковалентной связью, имеют более высокий удельный модуль (15 *10⁸) по сравнению с материалами, имеющими металлическую или ионную связь. К сожалению, материалы с высоким удельным модулем очень хрупки и поэтому очень чувствительны к трещинам и дефектам, что не позволяет применять их в крупных сечениях. Необходимость сочетания прочности и вязкости при растягивающих нагрузках, наряду с требованием получения воспроизводимости свойств, привели к тому, что для крупных динамических конструкций используются металлические сплавы в качестве основного материала. При конструировании необходимо учитывать условия эксплуатации. Хотя статические свойства металлических сплавов значительно повышаются под влиянием различных механизмов упрочнения, также материалы часто теряют их в реальных условиях работы.

Резюмируя, отвечаем, что целью создания КМ как раз и является получение материалов с высокой прочностью и удельной жесткостью с одной стороны и минимальной способностью к накоплению повреждений с другой. Это заключение позволяет перейти к определению: что такое КМ?

Композиционный материал (КМ) представляет собой высокопрочный или высокомодульный материал, называемый армирующим компонентом, соединенный со вторым материалом, называемым матрицей, позволяющим осуществлять изготовление необходимой конструкции и передавать внешние нагрузки к несущему (упрочняющему) компоненту.

Типичные примеры КМ: бетон, армированный стальной проволокой; пластмасса, упрочненная стекловолокном; смолы, упрочненные нейлоном; дерево - естественный КМ, в котором легнин упрочнен волокнами целлюлозы.

Как видно из этих примеров, к КМ относятся очень многие материалы. Однако мы будем рассматривать в нашем курсе КМ, удовлетворяющие следующим признакам:

1. КМ изготавливаются исскуственно и не встречаются в естественном виде.

2. Компоненты КМ выбираются и рассчитываются преднамеренно.

3. КМ содержат по крайней мере две индивидуальные и различные химические фазы.

4. Свойства КМ зависят от свойств каждой из присутствующих фаз, количество которых должно быть значительным.

5. Компоненты КМ располагаются с повторяющейся геометрией так, чтобы в достаточно больших объемах материал мог рассматриваться как галлогенный.

6. Новый материал должен обладать полезными свойствами, не присущими индивидуальным компонентам.

7. Мы изучаем КМ только с металлической матрицей.

КМ с металлической матрицей весьма разнообразны и могут быть классифицированы различными способами. Одна из удобных систем классификации основана на морфологии составляющих фаз. Согласно этой системе, КМ относятся к одной из следующих категорий: дисперсноупрочненные композиты; композиты, армированные частицами; волокнистые композиты; слоистые композиты.

Дисперсно-упрочненные и армированные частицами композиты содержат вторую фазу в виде мелких частиц, беспорядочно распределенных в матрице:

В волокнистых композитах вторая фаза одномерна, направленным образом ориентирована и располагается в матрице непрерывно или дискретно:

В слоистых композитах вторые фазы двухмерны. Они также могут быть

непрерывно или дискретно расположены и ориентированы в матрице.

В основу другой системы классификации, которая, можно сказать, уточняет первую, положен размер и распределение вторых фаз в композите. В соответствии с этой системой КМ подразделяются на следующие категории:

-субмикрокомпозитные материалы с размерами частиц и волокна « 1 мкм - например, дисперсноупрочненные сплавы и волокнистые КМ с очень тонкими волокнами;

• микрокомпозитные (размер частиц, толщина волокна или слоя приблизительно 1 мкм), например, материалы, армированные частицами, направленно закристаллизованные эвтектики;

• макрокомпозитные (размеры компонентов d>> 100 мкм), например, медные и алюминиевые сплавы, упрочненные вольфрамовым или стальным волокном.

В соответствии с классификацией по методам получения КМ подразделяются на материалы, полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения - напыления и комбинированными методами. К жидкофазным методам относятся пропитка (например, пропитка арматуры расплавленным металлом), а также направленная кристаллизация. К твердофазным - прессование, прокатка, уплотнение взрывом и т.п.

Км с металлической матрицей имеют ряд преимуществ: высокую прочность; высокий модуль упругость; высокую вязкость; малую чувствительность к изменению температуры; высокую тепло - и электропроводность; хорошую технологичность. Однако, они имеют и важный недостаток: проблема механической и химической совместимости стоим у них более остр, чем у других. Правильное решение этой проблемы позволяет обеспечить такое физико-химическое состояние поверхности раздела волокно - матрица, которое даст возможность получить материал с нужными свойствами.

Если на поверхности раздела волокно - матрица (частица - матрица) возникает переходные слой, он облегчает процесс передачи матрицей нагрузки на волокно. Переходный слой возникает во время технологического передела, когда при повышенных температурах, матрица и волокно или частица становятся компактным композиционным материалом. Чтобы переходный слой передавал нагрузку от матрицы к волокну необходимо не только механическое сцепление за счет неровной поверхности или сочетания решеток частица - матрица или волокно - матрица, но и физико-химическое сцепление за счет ограниченной взаимной диффузии составляющих волокна и матрицы.

При далеко зашедшей диффузии элементов матрицы в волокно, оно чаще всего теряет свои высокие механические свойства, либо на поверхности раздела возникает слой хрупкого интерметаллида, из-за которого снижается прочность КМ, так как повышается вероятность образования хрупких трещин в волокне и на границе раздела.

Неограниченная диффузия элементов волокна в матрицу приводят к его деградации и, в крайнем случае, к его растворению в матрице. Если же используется волокно, не вступающее в физико-химическое взаимодействие, как, например, W—проволока и медная матрица, то не достигается надежное сцепление в переходном слое(точки, на границе раздела), что отражается на свойствах материала. В этих случаях приходится « подбирать такой материал для покрытия волокон, который взаимодействует и с волокном и матрице (в нашем примере Ni).

Таким образом, высокопрочная композиция возможна при оптимизации величины, состава и свойств переходного слоя, обеспечивающих кинетическую стабильность КМ. Так как почти все известные в настоящее время высокопрочные волокна сравнительно легко взаимодействуют с металлическими матрицами, обычно основная задача состоит в предотвращении образования хрупких интерметаллидов как на стадии изготовления КМ, так и во время его эксплуатации.

Поиск ведут в 2-х направлениях:

1. подбирают такие покрытия на волокна, которые замедляют процесс взаимной диффузии и, тем самым, создают барьерные эффект;

2. выбирают такие технологические приемы изготовления, а также составы волокон и матрицы, чтобы возникали переходные слои, скорость роста которых замедлялась бы из- за затруднения проникающей диффузии через эти слои элементов, входящих в состав волокна и матрицы (иными словами - организовать естественные диффузионные барьеры).

Из сказанного становится ясно, что проблема совместимости в КМ очень важна как в процессах производства, так и при эксплуатации композитных конструкций.

Рассмотрим классический пример - влияние совместимости на механические свойства при растяжении КМ, состоящего из медной матрицы и вольфрамовых волокон. В качестве матрицы использовали не только медь, но и двойные медные сплавы, Легирующие элементы выбирались так, чтобы получаемые двойные системы на основе Си позволяли выявить влияние отдельных элементов на взаимодействие матрицы с волокном. В качестве легирующих элементов изучались Al, Со, Сг, Nb, Ni, Ti. Взаимодействия, возникающие на поверхности раздела волокна с матрицей определяет различные значения прочности и пластичности.

Было выявлено 3 типы взаимодействия:

1. Диффузия, сопровождающаяся рекристаллизацией периферийной зоны W-волокна;

2. Выделение второй фазы в матрице вблизи периферии волокна, не сопровождающаяся рекристаллизацией;

3. Взаимодействие в твердом растворе без рекристаллизации в волокне (матрица и проволока взаимно растворимы).

В случае, когда матрица КМ состоит из чистой меди и w-волокон, взаимодействия или рекристаллизации на поверхности раздела нет:

Диффузия растворенных элементов Со, Al, Ni матрицы в волокно вызывает рекристаллизацию на его периферии. Здесь следует отметить, что наибольшая глубина проникновения в W наблюдалось для А1, где и имело место наибольшая глубина рекристаллизованной зоны волокна.

Cu(Co, Al, Ni)

Следующий тип взаимодействия - выделение второй фазы - встречается в КМ, содержащих Ti и Zr в медной матрице, которые образуют с W соединения. Снижение пластичности матрицы связано с этим типом взаимодействия. Рекристаллизации в волокне нет. Cu(Ti, Zr)

Третий тип взаимодействия наблюдается в том случае, когда легирующий элемент растворим в W, т.е. по мере перехода его в W на поверхности раздела образуется твердый раствор. При этом рекристаллизация отсутствует, потери прочности незначительные.

Зависимость прочности различных КМ на основе меди при разных т-ра испытания на растяжение схематично выглядит так:

Итак, механические свойства при растяжении в композитах с реакционноспособными матрицами их медных сплавов оказались ниже, чем в композитах с нереакционноспособными матрицами (этот вывод справедлив только для испытаний на растяжение). Наибольшее снижение свойств связано с протеканием рекристаллизации. Как образование твердых растворов, так и химических соединений происходят при изготовлении образцов в следствии взаимодействия, которое имеет место примерно в течение часа при температуре приблизительно 1200 °С, когда волокна подвергаются пропитке.

На базе этих классических опытов была принята обобщенная схема классификации поверхностей раздела. Схема основана на типе химических реакций армирующий компонент-матрица. Термин “реакционноспособный” применяется здесь к материалам, которые взаимодействуют с образование химического соединения. Итак, можно выделить 3 следующие класса КМ:

1. волокно и матрица взаимно нереакционноспособны и ₂

2. волокно и матрица нереакционноспособны, но растворимы;

3. волокно и матрица реагируют с образование химического соединения (соединений) на поверхности раздела.

Примеры каждого типа взаимодействия в композитах приведены в таблице.

Классификация композитных систем

1-й класс	2-й класс	3-й класс
Cu - W	Cu(Cr) - W	Cu(Ti) - W
W -Al2O3	эвтектики	Ti - Al2O3
Ag - Al2O3	Nb – W	Ti - SiC
Al - B; Mg - B	Ni - C	Ti - B
Al - SiC	Ni - W	Al – SiO2

Здесь следует отметить, что эвтектики включены во второй класс, однако, для некоторых эвтектик предельная растворимость каждой из фаз, в другой, может быть столь низкой, что их предпочтительно отнести к первому классу.

Итак, мы выделили 3 основных класса КМ, теперь можно дать общее определение поверхности раздела:

Поверхность раздела - это область значительного изменения химического состава КМ. обеспечивающая связь матрицы и упрочнителя. необходимую для передачи нагрузки между составляющими композита.