 |
Рис. 1.8.7. Температурная зависимость длительной прочности композиционных материалов: 1 - эвтектические, 2 - волокнистые, 3 - дисперсно-упрочненные
Вообще композиционные материалы по своим назначениям, как правило, многофункциональны, т.е. один и тот же материал может обладать комплексом свойств, допускающим его различные применения.
По чисто механическим или геометрическим признакам композиты подразделяются на одноосные, двухосные и трехосные в зависимости от их способности работать в условиях действия соответствующего напряженного состояния.
При создании того или иного композиционного материала приходится учитывать несколько факторов: типы химических реакций на поверхностях раздела; механические свойства композитов, в особенности их упругие постоянные, коэффициенты Пуассона и термического расширения; физико-химические аспекты процессов, происходящих на внутренних поверхностях раздела компонентов.
С точки зрения обеспечения прочной связи компонентов композиционные материалы можно условно разделить на три группы.
· К первой группе отнесены композиционные материалы, в которых компоненты практически взаимно нерастворимы и не вступают в химические реакции.
· Во вторую группу входят композиционные материалы, в которых волокна и матрица взаимно растворимы, но не образуют побочных продуктов взаимодействия.
· В композиционных материалах третьей группы на поверхностях раздела образуются продукты химического взаимодействия, отличные по составу от исходных компонентов.
Понятно, что во многих случаях лишена смысла граница как бесконечно тонкая геометрическая поверхность, разделяющая две фазы. На самом деле она имеет некоторую конечную толщину, представляет область, в которой происходят сложные процессы адсорбции, растворения и роста новых фаз, не всегда удается избавиться от загрязнений и сегрегации примесей.
Очень часто для формирования удовлетворительной структуры границы специально проводят термическую обработку, стимулирующую те или иные химические реакции.
Чаще всего первая группа композиционных материалов формируется при холодных способах получения: формовкой со склеиванием горячим прессованием или прокаткой, другими способами твердофазного совмещения. Например, считают, что в системе алюминий - борное волокно, полученной горячей прессовкой, связь между композитами осуществляется за счет взаимодействия окисных пленок Аl2О3 и B2O3, всегда присутствующих на контактирующих поверхностях.
Та же система, но полученная заливкой борных волокон расплавленным алюминием, является композиционным материалом третьей группы, так как волокно частично растворяется с образованием диборида алюминия АlB2. Подобным образом осуществляется связь и в системе титан - борное волокно, где за счет реактивной диффузии образуется диборид титана TiB2.
Второй тип связей, обусловленный образованием твердых растворов в приграничной зоне каждого из компонентов, особенно свойствен металлическим композициям и эвтектическим композитам.
Значительную роль в образовании устойчивой связи играют такие факторы, как механическая связь за счет шероховатости поверхности, связь за счет растворения и смачивания. Смачивание играет очень важную роль при создании композиционных материалов. Например, для улучшения смачивания в системах никель - углеродное волокно, алюминий - углерод, волокно подвергается специальной обработке или в его состав вводятся соответствующие добавки, вступающие в химические взаимодействия с другими компонентами.
На сегодняшний день фундаментальные основы сил сцепления в композитах разработаны недостаточно, по крайней мере, приемлемой атомарной теории связи керамики с металлом не существует. Во многих случаях приходится действовать интуитивно, добиваясь приемлемого результата эмпирически, путем подбора легирующих добавок в матрицу, металлизацией поверхности керамических волокон, заменой жидкофазной технологии создания композита на твердофазную. В частности для получения качественного стеклопластика стекловолокно обрабатывают металлорганическими и кремнийорганическими соединениями (аппретами). Возможным механизмом улучшения сцепления в этом случае является бифункциональное действие аппрета, способного взаимодействовать, с одной стороны, с определенными участками на поверхности стекла, а с другой - с функциональными группами полимера - матрицы.
Необходимость такой обработки становится совершенно очевидной из сравнения да рис.1.8.8 состояния идеальной и реальной поверхности стекла, поступающего в виде волокон в производство композитов.
 |
Учет механических аспектов формирования композита заключается в подборе упругих констант компонентов, их пластичности и способности к совместному деформированию в условиях температурных градиентов.
При любом способе нагружения, даже одноосном, в волокнистых композиционных материалах создается объемное напряженное состояние. Оно суммируется с полями остаточных и термических напряжений, возможны также напряжения, связанные с фазовыми переходами. Какой-либо единой теории на сегодняшний день не создано, однако численные расчеты на основе приближенных моделей позволяют получать довольно надежные результаты для термических напряжений в условиях работы, когда напряжения не превышают предела упругости в композициях типа керамика - высокопрочное волокно.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.