Леонов В.В., Артемьева О.А., Кравцова Е.Д. Материаловедение и технология композиционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 7 - 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 ΔF

MOx

ΔF

FOy

, например, А1 - 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.

2.1.4.Термодинамическая и механическая

стабильность поверхности раздела композита

При длительных высокотемпературных отжигах полная поверхностная

энергия системы снижается в результате уменьшения площади границ

раздела. Хотя такой процесс весьма вероятен, однако, например, для

тонкодисперсной направленной эвтектической микроструктуры имеется

уравновешивающий фактор - низкоэнергетические поверхности раздела,

обусловленные преимущественными кристаллографическими

соотношениями между двумя фазами (возникновение специальных,

низкоэнергетических границ). Этот фактор стремится стабилизировать

поверхность раздела. При этом система может оставаться мелкозернистой,

т.е. содержать большую площадь границ раздела и оставаться

термодинамически устойчивой.

М F

МM

МF

MМ(A,B)

М(A,B) M

а) б) в) г) д)

Для повышения стабильности композита путем уменьшения

интенсивности взаимодействия матрицы и армирующих элементов на

межфазной границе используют различные методы:

- разработка новых упрочнителей, термодинамически стабильных по

отношению к матрице;

- применение защитных покрытий для уменьшения взаимодействия

между волокном и матрицей;

- применение легирования для уменьшения активности

диффундирующих компонентов.

К первой группе методов можно отнести:

• армирование материалов дисперсными металлическими частицами,

что приводит к резкому повышению прочности, вследствие создания

барьеров на пути движения дислокаций и межкристаллитных границ. Такое

дисперсионное упрочнение широко применяется для создания, например,

жаропрочных керамик;

• армирование материала нитевидными кристаллами (усами), которые

вследствие малого диаметра лишены дефектов и обладают высокой

прочностью - это перспективное направление создания высокопрочных

композитов. Именно открытие у нитевидных кристаллов прочности, близкой

к теоретической, послужило толчком к активизации исследований в

направлении получения волокнистых композиционных материалов;

• применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) в качестве

упрочнителей. Поверхностно-активные вещества (как правило, органические

соединения) обладают высокой поверхностной активностью, т.е.

способностью адсорбироваться на межфазных границах и сильно снижать

поверхностное натяжение. Молекулы ПАВ обычно дифильны, т.е. содержат

одновременно гидрофильную (полярную) и гидрофобную (липофильную)

атомные группы. В качестве гидрофильных могут выступать

функциональные группы спиртов (-ОН), кислот (-СООН и др.) и их солей,

аминов (-NH

) и другие группы. Липофильные группы обычно содержат

углеродные или фторуглеродные радикалы.

Ко второй группе методов относится создание диффузионных

покрытий на волокнах, не взаимодействующих или слабо

взаимодействующих с компонентами композита. В качестве покрытий

следует выбирать соединения с наиболее отрицательными значениями

свободной энергии образования, обеспечивающими достаточно большую

величину энергии активации процесса взаимодействия. При этом следует

стремиться к тому, чтобы энтропия активации образования возможных

веществ была минимальной. Однако при высоких температурах этот путь не

дает нужного эффекта из-за легкости преодоления активационных барьеров.

Третья группа методов - направленное легирование компонентов,

приводящее к выравниванию химических потенциалов матрицы и

армирующего элемента. Тем самым достигается уменьшение движущей силы

взаимного растворения компонентов и снижается скорость диффузионного

взаимодействия. Следует отметить, что этот способ позволяет добиться

термодинамической совместимости представляющих практический интерес

матриц и волокон только в редких случаях, однако он успешно применяется

для улучшения их кинетической совместимости

2.1.5. 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. 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.

Контрольные вопросы:

1. Какие особенности необходимо знать при конструирования КМ?

2. Какие условия совместимости компонентов в КМ?

3. Что такое метод моделирования процесс- стоимость.

4. Какая классификация композитов на основе межфазного

взаимодействия существует?

5. Какие типы связей на границе раздела между компонентами композита

имеют место?

Лекция 4. Аддитивные свойства композитов

Свойства суммы

Упругие свойства композиционных материалов

Упругие свойства композита, армированного непрерывными волокнами

Упругие свойства порошковых композитов

Вязкость разрушения композита

2.2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА

Физические свойства материалов можно определить с помощью Х-Y-

эффекта (Х-входной параметр; Y-выходной параметр). Поведение

композиционного материала задается величиной dY/dX=, где  - любое

свойство (термическое расширение, диэлектрическая, магнитная

проницаемость, электро- и теплопроводность, прочность, упругость и др.).

2.2.1. Аддитивные свойства композитов

Свойства композита определяются усредненными

характеристиками материалов матрицы и наполнителя.

Если взять два вещества с близкими свойствами и

образовать из них композиционный материал, то свойство

КМ будет среднее

В зависимости от состава свойство КМ может проходить

через максимум, минимум или изменяться аддитивно

(пропорционально). Это зависит от того, в каких единицах

измеряется количество компонентов: ат. %, масс. %,

об. %

или др. Такое свойство называется средним.

Есть еще один вид свойств, которое называется производным. Для его

понимания рассмотрим несколько последовательных схем. На вещество А

действуем свойством Х . На выходе вещества А получается свойство У.

Например, нагреваем вещество (свойство Х), а

получаем изменение его размеров

(свойство У).

На вещество В

подействуем свойством У, а на

выходе получим свойство Z .

Если объеденить вещества А и В в КМ и подействовать на него свойством Х ,

то свойство У, выходя из вещества А, действует на вещество В, а на выходе

из КМ получается свойство Z. Внутри КМ мы не видим проявления свойства

У. Поэтому можем представить, что на КМ действует свойство Х, а выходит

свойство Z. Пример такого КМ. Вещество А сцинтиллирует (светится) под

действием потока корпускул (частиц). Вещество В увеличивает свою

электропроводность под действием освещения (фотопроводник). В целом

такой КМ будет увеличивать свою электропроводность под действием потока

корпускул. Подбирая пары веществ А и В с разными свойствами Х, У и Z,

можно получить искусственный КМ

с такой парой свойств Х- Z, которой нет

у природных веществ. Все это открывает большие возможности по созданию

и применению принципиально новых КМ.

Если свойства компонентов значительно отличаются, то изменение

свойства может быть другим и более сложным. Изменение зависит еще от

структуры КМ: дисперсные, волокнистые, 1 -, 2 – или 3-х мерное

расположение включений. Это наглядно

можно представить по

электропроводности КМ, состоящего из диэлектрика и металла. Для

дисперсного КМ электропроводность будет определяться

электропроводностью матрицы. Электропроводность волокнистого КМ

будет зависеть от электропроводности включения и схемы его расположения.

Существенны две задачи: найти способ усреднения и определить

зависимость параметров композита от геометрической структуры.

Усреднение не арифметическое, а некое функциональное. То есть , задача

теории состоит в предсказании связи свойств композита со свойствами его

составляющих по известным параметрам матрицы, наполнителя и их

компоновке, размеру и форме изделия, удовлетворяющим требуемым

условиям работы. Под параметрами понимают прочность и жесткость,

теплопроводность, коэффициент теплового расширения, коэффициент

Пуассона и др., формирование которых преследуется при разработке

композита.

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.

Свойства суммы

Свойства суммы - такие свойства, в которых Х-Y-эффект композита -

результат комбинации Х-Y-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-Y-

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, (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 Y от первого

компонента ко второму может быть любой природы - механический,

электронный, магнитный, тепловой, химический и др.

2.2. 2. Упругие свойства композиционных

материалов

Преимущество волокнистой арматуры состоит в высокой прочности и

возможности создания упрочнения в том направлении, в котором это

требуется по конструктивным соображениям, что обеспечивает

максимальное использование свойств волокон. Недостатком нитевидной

формы является то, что волокна способны эффективно передавать нагрузки

только в направлении своей оси, тогда как в перпендикулярном направлении

упрочнение часто отсутствует, а в некоторых случаях даже может произойти

разупрочнение. Матрице отводится роль защитного покрытия,

предохраняющего волокна от механических повреждений и окисления.

Кроме того, матрица должна обеспечивать прочность и жесткость системы

при действии растягивающей или сжимающей нагрузки в направлении,

перпендикулярном к армирующим элементам. Если растягивающая нагрузка

направлена вдоль оси волокон, расположенных параллельно друг другу, то

для получения эффекта упрочнения предельное удлинение матрицы не

должно приводить к разрушению волокон.

Упругие свойства композита, армированного непрерывными

волокнами

Система из параллельно уложенных в одном направлении армирующих

элементов, связанных матричными прослойками представляет собой

простейший композит (Рис. 8). Монослои таких материалов - основа для

получения различных слоистых композитов, а по известным

характеристикам однонаправленных материалов можно рассчитать свойства

композиций с различной ориентацией волокон в смежных слоях.

Основные допущения, принимаемые при расчете модулей упругости,

сводятся к тому, что волокна и матрица - изотропные упругие материалы,

которые при нагружении композиции деформируются совместно (это

обеспечивается наличием между ними жесткой связи).

Модуль упругости в направлении оси волокон. При воздействии на

рассматриваемую пластину растягивающей силы Р

, относительная

деформация 

xм

композита в направлении оси х равна деформации матрицы



xм

, и волокон 

xв



xх

=

xм

=

xв

(2)

Сумма сил. действующих на

матрицу Р

хм

и на волокно Р

хв

равна

общей силе Р

= Р

хм

+ Р

хв

(3)

Представив силу как

произведение напряжения  на

площадь поперечного сечения А,

получим



хм

+

хв

=

хк

(4)

где 

хм

, 

хв

, 

хк

- растягивающие

напряжения соответственно в матрице, волокне, композиции в направлении

оси х: А

, А

- площадь поперечного сечения матрицы, волокна,

композита соответственно. Разделив обе части уравнения (4) на А

получим



хм

+

хв

=

хк

, (5)

где V

, V

- объемная доля соответственно матрицы, волокна в

композите: V

= A

и V

Закон Гука для для одноосного напряженного состояния позволяет

записать следующие зависимости:

Рис. 8 - Схематичное

изображение

структуры

однонаправленного

композита.



хМ

=

хМ

, 

хВ

=

хВ

, 

хК

=

хК

, (6)

где Е

хМ

, Е

хВ

, Е

хК

- модули Юнга матрицы, волокон, композита в

направлении х.

Считая материалы волокон и матрицы изотропными, опустим индекс

направления х и преобразуем уравнение (5):

хК

=Е

= Е

(1-V

). (7)

Формула (7) позволяет оценить величину модуля нормальной

упругости однонаправленного волокнистого композита в направлении

армирования по известным концентрациям и модулям упругости матрицы и

волокон.

Модуль упругости поперек волокон. При нагружении композита силой

(Рис. 9), перпендикулярной к оси волокон, напряжения в каждом из

компонентов композита будут одинаковыми:



= 

(8)

а абсолютная деформация всей композиции ∆

будет равна сумме

деформаций матрицы ∆

и волокон ∆

∆

=∆

+ ∆

. (9)

Абсолютная деформация ∆ связана с относительной е соотношением:

∆=l, (10)

где l - длина деформируемого элемента.

Подставив это соотношение в равенство(9), получим



= 

+

(11)

где 

, 

- относительные деформации соответственно

композиции, матрицы и волокна в направлении оси у.

Если для простоты принять, что сечения волокон прямоугольны, то

и V

(12)

Разделив обе части уравнения (11

= 

+

(11) на l

, с

учетом зависимостей, (12) получим



= 

+

(13)

Выразив с помощью закона Гука деформации в формуле (13) через

соответствующие напряжения и модули упругости (=/E) и приняв во

внимание условие (8)

= 

(8) придем к соотношению,

позволяющему оценить модуль упругости волокнистого однонаправленного

композита в поперечном направлении, перпендикулярном оси волокон

/ [E

(1-V

)]. (14)

Упругие свойства материала, наряду с модулями упругости,

характеризуются коэффициентом Пуассона (). Величина его равна

отношению абсолютного относительного поперечного сжатия сечения

образца (при растяжении) к относительному продольному удлинению.

Для композита коэффициент Пуассона определяется по формуле



xyK

=

/ 

(15)

При нагружении силой Р

деформацию 

можно рассчитать из

соотношения (13) с учетом того, что 

=



и 

=



= 



(1-V

)+ 



(16)

Подставляя формулу 

= 



(1-V

)+ 



(16)(16) в выражение

(15) и используя закон Гука. получаем формулу для определения

коэффициента Пуассона:



xyK

=

(1-V

)+

(17)

Модуль сдвига однонаправленного волокнистого композита. При

нагружении композита касательными напряжениями (Рис. 9) нагрузка

воспринимается матрицей и волокнами последовательно, поэтому величины

касательных напряжений в матрице 

xyМ

, и волокнах 

xyВ

одинаковы:



=

xyМ

=

xyВ

(18)

При этом деформация сдвига 

хуК

, по аналогии с выражением (6.13),

определяется соотношением:



хуК

=

хуВ

+ 

хуM

(1-V

) (19)

Поскольку поведение всех компонентов рассматривается в пределах

упругих деформаций, можно воспользоваться выражением закона Гука для

сдвига:





/G (20)

Подставив его в уравнение (12), с учетом равенства (18) получим

выражение для модуля сдвига композита:

xyK

/[G

(1-V

)+G

]. (21)

Четыре упругие константы E

, E

, 

xyK

, G

xyK

полностью описывают

упругое поведение однонаправленного волокнистого композита при плоском

напряженном состоянии.

Упругие свойства порошковых композитов

Для порошковых композитов с матричной структурой, содержащих

изотропные частицы сферической формы в изотропной матрице, модули

объемного сжатия К и сдвига G лежат между верхней и нижней оценками,

рассчитываемыми по формулам Фойхта и Рейсса:

/( К

+ К

)



+ К

, (22)

/( G

+ G

)



+ G

, (23)

где К

и К

, G

- модули объемного сжатия и сдвига; V

, V

объемная доля матрицы и частиц соответственно.

Модель, состоящая из шара, выполненного из материала частицы, и

помещенного в сферическую оболочку из матричного материала, которая в

свою очередь окружена неограниченной средой, имеющей свойства

композита, дает следующее значение для расчета модулей объемного сжатия

и сдвига порошковых композитов с матричной структурой:

/(3К

+ 4G

) + К

/(3 К

+ 4G

)

KK= -------------------------------------------------------- (24)

/(3К

+ 4G

)+ V

//(3 К

+ 4G

)

(G

)/ (G

+ V

), (25)

где  = 15(1 - 

)/ [(7 - 5

+ (8 - 10

) 



Рис. 9 - Схема нагружения

однонаправленного

волокнистого композита

касательными напряжениями