6.3. Типы связей и стабильность границы раздела композита

Поскольку композиты представляют собой металлическую или неметаллическую матрицу (основу) с заданным распределением в ней упрочнителей (волокон, диспергированных частиц и др.), то поверх-

ность раздела представляет собой область значительного изменения химического состава. Она обеспечивает связь матрицы и упрочнителя, необходимую для передачи нагрузок между составляющими композита. Главная функция поверхности раздела - передача нагрузки между упрочнителем и матрицей, определяется механическими требованиями к ста­бильности поверхности раздела при всевозможных методах нагружения.

6.3.1. Типы связей на границе раздела между компонентами композита

На границе раздела между компонентами существуют различные типы связи:

• механическая связь, осуществляется за счет сил трения. Композит с механической связью имеет низкую прочность при поперечном рас­тяжении и продольном сжатии (этот тип связи характерен для первого класса композитов, например для Cu-W, Сu-Аl2Оз и др.);

• связь при смачивании и растворении реализуется благодаря силам по­верхностного натяжения. Обычно смачивание сопровождается небольшим растворением компонентов, реализуется при пропитке волокон расплавлен­ной матрицей в отсутствие химической реакции (этот тип связи характерен для первого и второго классов композитов, например, для системы Nb—W);

• реакционная связь осуществляется при протекании химической ре­акции на границе раздела компонентов с образованием новых химических соединений (этот тип связи характерен для композитов третьего класса, например, для системы Ti-C);

• обменно-реакционная связь - разновидность реакционной связи, когда общая химическая реакция происходит в несколько стадий, одна из которых контролирует скорость образования связи. Этот тип связи реализуется, например, для системы Ti(Al) - В. Матрица из титана, ле­гированного алюминием, взаимодействует с борными волокнами в две стадии. Вначале твердый раствор алюминия в титане реагирует с бором:

Ti(Al)+ B2 = (ТiАl)В2

• затем полученный сложный диборид реагирует с титаном:

Ti+ (TiAl)B2 = TiB2+ TiAl

• оксидная связь - разновидность реакционной связи, характерна для композитов, упрочненных волокнами или частицами из окислов. Для ме­таллических матриц связь в композите реализуется либо за счет образова­ния шпинелей на межфазных границах, либо за счет образования продук­тов реакции в виде окисной пленки, через которую осуществляется связь;

• смешанный тип связи возникает в композитах псевдопервого класса после разрушения оксидных пленок и начала химического или диффузион-

ного взаимодействия. Он реализуется, например, при частичном переходе систем псевдопервого класса в системы второго и третьего классов.

На рис. 6.1 показаны схемы основных типов связи в композите. Матрица М содержит элементы А и В, а волокно F состоит из простого вещества (например, графита, бора и др.) или из соединения (например, Аl2О3), обозначенного FOx.

Рис. 6.1- Различные типы связи на границе раздела между компонентами композита: а - механическая связь; б - связь путем смачивания и рас­творения, например, Nb-W; в — реакционная связь, например, Ti-C; г — обменно-реакционная связь, например, Ti(Al)-B; д - оксидная связь в системе псевдопервого класса, где , например, Аl -В

Если в композите реализуются первые два типа связи, то такой ма­териал, как правило, структурно стабилен, и длительное пребывание при высоких температурах не приводит к существенному изменению его свойств. Если же компоненты композита взаимодействуют между собой по третьему типу, то эксплуатация композита при повышенных температурах вызывает существенные структурные изменения в нем, появление новых фаз, изменение свойств (охрупчивание, снижение прочности, изменение электро- и теплопроводности, коррозионной стойко­сти и др.). Поэтому важно уметь управлять межфазным взаимодействием в композитах и тем самым воздействовать на их структурную стабильность.