Глава 7. Физические свойства композитов. Упругие и прочностные свойства

Свойства композита определяются усредненными характеристи­ками материалов матрицы и наполнителя. Существенны две задачи:

найти способ усреднения и определить зависимость параметров компо­зита от геометрической структуры. Усреднение не арифметическое, а некое функциональное. Иначе говоря, задача теории состоит в предска­зании связи свойств композита со свойствами его составляющих по из­вестным «парциальным» параметрам матрицы, наполнителя и их ком­поновке, размеру и форме изделия, удовлетворяющим требуемым усло­виям работы. Под «парциальными» параметрами понимают прочность и жесткость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения, ко­эффициент Пуассона и др , формирование которых преследуется при

разработке композита.

В литературе описан ряд электрических, оптических, магнитных свойств композитов, которые основаны на периодичности, анизотроп­ности структуры, влиянии размера фаз и межфазных эффектах, напри­мер, анизотропия электропроводности композита, состоящего из изоли­рующей или полупроводниковой матрицы и однонаправленных метал­лических проволок. Электропроводность в направлении осей проволок в десятки раз выше, чем в поперечном направлении. В композите такого типа анизотропия возникает из-за того, что напряжение Холла, или термоЭДС короткозамкнута в направлении проводящих проволок и не замкнута в перпендикулярных к ним направлениям. На основе получен­ного направленной кристаллизацией эвтектического композита InSb-NiSb разработаны уникальные магнито-резисторные устройства.

7.1. Общее определение физических свойств композита. Х-y-эффект

Физические свойства материалов можно определить с помощью X-У-эффекта (X-входной параметр; У-выходной параметр). Поведение композиционного материала задается величиной dY/dX=α., где α - лю­бое свойство (термическое расширение, диэлектрическая, магнитная проницаемость, электро- и теплопроводность, прочность, упругость и др.).

Свойства суммы - такие свойства, в которых Х-У-эффект компо­зита - результат комбинации X -У-эффектов его компонентов. Если

влияние границ раздела пренебрежимо мало, то величина свойства ком­позита лежит между свойствами фаз и определяется объемными долями по правилам смеси. Для ряда свойств (диэлектрическая проницаемость, теплопроводность) нужно учитывать и форму дисперсной фазы.

Если преобладает влияние границ раздела, то картина может изме­ниться коренным образом. Например, тепло- и электропроводность композиционного материала может быть ниже, чем у составляющих его фаз вследствие теплового или электрического контактного сопротивле­ния между фазами.

Концепция свойств произведения имеет большую потенциальную ценность при создании композитов с новыми свойствами. Выход от X-У-эффекта в компоненте 1 может действовать как вход для Y-Z-эффекта в компоненте 2, что приводит к общему Х-Z-эффекту;

(dZ/dX)k = K(dY/dX)1(dZ/dY)2, (7.1)

где К — коэффициент объединения.

Свойство произведения может быть совершенно новым или пред­ставлять собой известное превращение с более высоким выходом. Ме­ханизм объединения, обеспечивающий перенос величины У от первого компонента ко второму может быть любой природы - механический, электронный, магнитный, тепловой, химический и др.