Некоторые структурографические результаты, страница 6

Механика композиционных материалов на сегодняшний день – область интенсивных экспериментальных и теоретических исследований.

Основное физико-химическое требование к поверхностям раздела состоит в том, чтобы в процессе работы композиционного материала они сохраняли свою стабильность, которая нарушается вследствие химических реакций, диффузии, процессов агломерирования, растворения волокон в ходе высокотемпературной эксплуатации.

Главная причина нарушения стабильности поверхностей раздела - химические реакции. Скорость роста зоны взаимодействия между твердыми фазами контролируется процессами диффузии. В таком случае толщина зоны взаимодействия х зависит от времени t по параболическому закону

                                   (1.8.5)

где k  - константа скорости роста, зависящая от сорта взаимодействующих тел, t  - продолжительность выдержки при данной температуре.

Константа k  зависит от температуры по уравнению Аррениуса

       

где  Q - энергия активации процесса, составляющая, например, для диффузии углерода в титане  = 10…24 ккал/моль. Эти явления довольно хорошо исследованы в системах, где титан армирован волокнами бора, карбида кремния, двуокиси алюминия (сапфира).

1.8.2.3. Соединяемые материалы и свойства получаемых композитов

Развитие материаловедения композитов потребовало создания новых технологий в области производства керамики и стекла - получение нитевидных кристаллов - "усов" и волокон. "Усы" - иглообразные высокопрочные монокристаллы с большим отношением длины к диаметру (порядка 20...25).

К настоящему времени получены "усы" более ста материалов - металлов, карбидов, окислов, галогенидов, органических соединений. Физических механизмов и технологических способов много. Можно выделить три основных механизма выращивания: из жидкой фазы (растворов, расплавов), из паровой фазы (посредством химической реакции, возгонки) и путем твердофазной диффузии.

Разработаны также промышленные технологии получения волокон и проволок вытягиванием через фильеры из расплавов, в том числе и со сложным профилем. Общим правилом является обратное соотношение между размерами "усов", диаметрами волокон и прочностью.

Вообще для волокнистых материалов свойствен значительный разброс в В качестве примера на рис.1.8.9 приведена зависимость прочности "усов" сапфира (Al₂O₃) от их поперечного размера, являющаяся типичной и для других материалов. экспериментально определяемой прочности, что связано с локальными нарушениями поверхности, возможной химической неоднородностью, ориентацией ростовых дислокаций (их  в "усах" 1...5 штук), зависит от способа выращивания и других технологических параметров.

Рис.1.8.9.Прочность "усов" сапфира в зависимости от корня квадратного из площади поперечного сечения

В табл. 1.8.1 приведены свойства армирующих компонентов.

Таблица 1.8.1

Свойства "усов" и армирующих волокон

Свойство	“Усы”			Волокна
	SiC	Al2O3	Графит	Бор	Стекло	Бериллий
Прочность при  растя- жении, ГПа	21	43,4	21	2,1	4,9¸ 7,8	1,55
Плотность, г/см3	3,21	3,96	2,26	2,38	2,49	1,85
Температ. плавлен., оС	2200	2000	3000	2200	Размяг. при 760оС	1286

В табл. 1.8.2  приведены некоторые данные о свойствах композиций, выпускаемых промышленностью.

Высокопрочный стеклопластик состава – 49% стекловолокно + 51% эпоксидная смола - имеет такие характеристики: плотность 2,11 г/см³, прочность -   470 МПа, относительное удлинение 5,5%.

Таблица 1.8.2

Механические свойства некоторых исходных материалов

и полученных из них композитов

Свойство	Матрица	Композиты
	Al	B, волокно	Ti	Al+ 50% B	Al+ 70% B	Al+ 50% SiO2	Al+ 7%Zn +38%C	Mg+ 50% B	6%Al + 4%V+ SiC (вол)
Предел прочности, МПа	70¸ 140	2800	400	1100¸ 1400	1600¸ 1800	770¸ 840	71,6¸ 105,5	1250	910
Модуль упругости, ГПа	70	420	120	200¸ 257	280	-	194	200	210

О перспективности дальнейшего развития этого направления материаловедения говорит такой факт. Применение в самолете ИЛ-62 25% деталей из конструкционных композиционных материалов позволяет уменьшить его взлетный вес на 17%, что равнозначно повышению полезной нагрузки на 5 т или увеличению количества пассажиров на 30 человек, дальности полета  - на 1000 км. Не видно пока конкуренции этим материалам там, где требуется снижение материалоемкости изделий при сохранении высоких прочностных характеристик в сочетании с разумной ценой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ЧАСТИ I.

Достижения ФТТ вывели практического инженера на предельно высокий уровень механических свойств твердых тел или близкий к нему. Вместе с тем стало ясно, что точное регулирование поведения материала возможно лишь при точном знании структуры на атомном уровне, оно основано на умении управлять дефектообразованием, на глубоком понимании энергетического состояния электронов, обеспечивающих межатомные связи и формирование кристаллической или аморфной структуры, а отсюда - и на все "потребительские" свойства изделия.