6.3.3. Прочность границы и характер разрушения композита

Прочность границы может быть как выше, так и ниже прочности матрицы. Часть свойств композиционных материалов определяется прочностью границы раздела на отрыв (поперечная прочность, проч­ность на сжатие, вязкость), часть - прочностью границы на сдвиг (про­дольная прочность при растяжении композита, армированного корот­кими волокнами, критическая длина волокна и др.).

В зависимости от типа связи и прочности границы разрушение композита может происходить по-разному. Если распространяющаяся в композите трещина пересекает волокна, то вязкость разрушения увели­чивается тем больше, чем больше волокна отслаиваются от матрицы. В этом случае для повышения вязкости разрушения предпочтительной является слабая связь на границе раздела волокно - матрица. При рас­пространении трещины параллельно волокнам предпочтительнее проч­ная связь на границе волокно - матрица, что позволяет предотвратить разрушение по поверхности раздела.

Вязкость композита, армированного ориентированными в не­скольких направлениях волокнами упрочнителя, зависит главным обра­зом от тех волокон, которые расположены поперек трещины и разруше­ние которых необходимо для дальнейшего распространения трещины.

В композитах, упрочненных частицами, поверхность раздела мо­жет существенно влиять на вязкость разрушения. Если частицы много жестче матрицы и слабо с ней связаны, то вязкость разрушения растет (в основном из-за эффекта затупления вершины трещины). Если части­цы менее жесткие и прочнее связаны с матрицей, то вязкость разруше­ния также может быть заметно повышена.

В композите слоистого строения слабые плоскости могут быть ориентированы желательным образом. Такой композит можно исполь­зовать как материал, задерживающий разрушение.

На рис. 6.2 показано разрушение при сжатии волокнистого компо­зита, состоящего из волокон оксида алюминия в алюминиевой матрице. Разрушение происходит путем изгиба волокон. При изгибе такого плот­ного ансамбля волокон соседние волокна проявляют тенденцию к изло­му и образованию складки в том же направлении. При этом они про­скальзывают относительно друг друга, сообщая находящейся между ними матрице сдвиговую нагрузку. Устойчивость матрицы к сдвиговой нагрузке во многом определяет прочность композита при сжатии вдоль осей волокон, что связано с изгибом волокон при продольном сжатии.

На рис. 6.3 показано разрушение слоистого полимерного компози­та. Синергизм свойств пластинки, состоящей из чередующихся слоев двух разных полимеров, проявляется при ее реакции на разрушение (темная зона, распространяющаяся из верхней части снимка). Толщина слоев 10-мкм. более темные слои - сополимер стирола с акрилонитрилом (жесткий и относительно хрупкий материал), светлые слои - прочный и пластичный поликарбонат. Хрупкий материал быстро растрескался (об­разовались тонкие трещины), способствуя распространению разруше­ния, а в пластичных слоях сформировались полосы сдвига. Процесс об­разования полос сдвига связан с поглощением энергии, при этом посте­пенно острие трещины притупляется и растрескиваиие останавливается. Таким образом, пластинка образца оказывается упрочненной за счет поли­карбонатных слоев, а слои из сополимера стирола придают ей жесткость.

Таким образом, межфазное взаимодействие, фазовые переходы, проис­ходящие на границах раздела, определяют многие физические и химические свойства композита, отличные от свойств составляющих его компонентов.

Рис. 6.2. Характерный вид разрушения при сжатии волокнистого композита на основе

металлической матрицы

Рис. 6.3. Разрушение при сжатии сло­истого полимерного материала