Глава 6. Межфазное взаимодействие, совместимость компонентов, стабильность границы и прочность композита

Межфазное взаимодействие оказывает непосредственное влияние на формирование сильных или слабых связей между компонентами компози­та, что определяет его прочность, вязкость разрушения, термостойкость и другие свойства. Поэтому управление процессом межфазного взаимодей­ствия является важным звеном в формировании свойств композита.

При создании композиционных материалов руководствуются усло­виями совместимости компонентов и стабильности поверхности раздела.

6.1. Совместимость компонентов композита

Для получения композитов с оптимальными свойствами межфаз­ное взаимодействие должно быть ограниченно, поскольку интенсивное взаимодействие приводит к ухудшению механических свойств компо­зиционного материала. При высоких температурах на поверхности во­локон композита протекают химические реакции. Если химическая ре­акция затрагивает тонкий слой, то это даже упрочняет связь волокна с матрицей, но если слой утолщается, то продукты реакции могут сильно ослабить эту связь, кроме того, волокно может разрушиться. Актуаль­ная научно-техническая задача - изучение реакций на межфазных гра­ницах. Химическое взаимодействие может происходить как при изго­товлении композитов, так и при их высокотемпературной эксплуатации.

6.1.1. Химическая совместимость компонентов

Для того, чтобы композит обладал стабильными свойствами при повышенных температурах, его компоненты должны быть химически совместимы. Понятие химической совместимости включает понятие термодинамической и кинетической совместимости.

Термодинамическая совместимость - способность матрицы и ар­мирующих элементов находиться в состоянии термодинамического равновесия неограниченное время при температуре получения и экс­плуатации. Термодинамически совместимо в изотермических условиях ограниченное число композиционных материалов, состоящих из компо­нентов, практически не растворимых друг в друге в широком интервале температур (например, Cu-W). Большинство композитов состоит из термодинамически несовместимых компонентов, для которых из диа-

грамм состояния можно определить только возможные фазовые равно­весия и направленность реакций.

Кинетическая совместимость - способность компонентов находить­ся в состоянии метастабильного равновесия, контролируемого такими фак­торами, как адсорбция, скорость диффузии, скорость химических реакций.

Термодинамически несовместимые составляющие композита в оп­ределенных температурно-временных интервалах с использованием новых оптимальных технологий могут быть совместимы кинетически и достаточно надежно работать.

Наряду с химической совместимостью при создании композита важно обеспечить механическую совместимость, т.е. соответствие уп­ругих констант, коэффициентов термического расширения и показате­лей пластичности компонентов, позволяющих достигнуть прочности связи для передачи напряжений через границу.

6.1.2. Основные термодинамические представления о совместимости материалов

На основе термодинамического метода можно определить направлен­ность процессов, возможность осуществления химических реакций, опреде­лить влияние легирующих добавок на межфазное взаимодействие, а следова­тельно, оценить термодинамическую стабильность изучаемой системы.

Свободная энергия (или энтальпия образования) - первый шаг для выбора материала волокна и оценки стабильности границы раздела. Из изменения свободной энергии при возможных реакциях между матри­цей и волокном можно определить направленность реакции. Пример -реакция между (волокно) и матричным металлом (например,Тi):

Если свободная энергия системы в результате реакции увеличива­ется (F>0), то для системы характерна стабильность Ti в контакте с , если наоборот, то происходит реакция.

В общем случае стабильность поверхности раздела достигается наибо­лее легко в системах с ограниченным взаимным смачиванием компонентов.