Особенности строения композиционных материалов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Особенности строения композиционных материалов

24.06.2021

В широком смысле понятие «композиционный материал» включает в себя любой материал с гетерогенной структурой (состоящей из двух и более фаз), что позволяет отнести к числу композиционных большинство применяемых в технике материалов.

Композиционные материалы (KM) имеют ориентированную структуру, по структурным признакам они могут быть разделены на две основные группы: волокнистые и слоистые; дисперсноупрочненные (ДУ) и материалы с покрытиями.

Волокнистые композиты состоят из матрицы, содержащей упрочняющие одномерные элементы в форме волокон (проволоки), нитевидных кристаллов и др. Слоистые композиты — набор чередующихся двухмерных армирующих компонентов в виде листовых, пластинчатых и фольговых материалов, жестко связанных между собой по всей поверхности их раздела. У волокнистых и слоистых материалов несущим элементом служит армирующее волокно, проволока, фольга (фаза-упрочнитель). Армирующие элементы по своей природе имеют высокую прочность, весьма высокий модуль упругости и, как правило, сравнительно низкую плотность.

В волокнистых композитах матрица объединяет волокна или другие упрочняющие элементы в единый монолит, защищая их от повреждений. Матрица является средой, передающей нагрузку волокнам, а в случае разрушения отдельных волокон перераспределяет напряжения в объеме композита. Кроме того, ее механические свойства определяют характер поведения материала при сдвиге, сжатии и усталостном разрушении.

Особенность волокнистой композиционной структуры — равномерное распределение, с повторяющейся геометрией, высокопрочных и высокомодульных волокон в пластичной матрице, содержание которых может колебаться от 15 до 75 об. %.

В волокнистых и слоистых композитах сдвиговый механизм торможения трещин, имеющий место в традиционных сплавах, дополняется торможением трещин самими волокнами на поверхности ослабленного сцепления матрицы с армирующим упрочнителем. В этих KM выбор компонентов обусловлен получением определенной (оптимальной) степени их взаимодействия с целью согласования высокого предела прочности с повышенной вязкостью разрушения.

Поверхности раздела в волокнистых и слоистых композиционных материалах можно рассматривать как самостоятельный элемент структуры. Имеется в виду не геометрическая поверхность раздела, а прилежащая к поверхности раздела область, в которой протекают процессы растворения, образования и роста новых фаз, перераспределения примесей и т.д.

В волокнистых и слоистых КМ, компоненты которых выбирают с учетом их оптимального взаимодействия, структура формируется искусственно при изготовлении материала в процессе намотки, укладки волокон или деформации. В эвтектических сплавах с однонаправленной структурой последняя формируется подобно традиционным сплавам в процессе кристаллизации. Такие системы называют естественными композиционными материалами, так как упрочняющая фаза в них кристаллизуется из расплава в виде иголок (нитевидных кристаллов), стержней или пластин. По виду структуры эти материалы мало отличаются от волокнистых композитов, полученных искусственным сочетанием матрицы и упрочнителя. Кроме того, упрочнители в эвтектических композитах — иголки или пластинки — незначительно отличаются по механическим свойствам от нитевидных кристаллов (усов), имеющих высокие механические свойства. Особенностью структуры эвтектических KM является исключительно хорошее сопряжение матрицы с упрочнителем, а также высокая структурная стабильность таких композитов.

В волокнистых композиционных материалах технологическая схема и соблюдение режимов их получения оказывают существенное влияние на формирование структуры и свойств КМ. При этом следует исходить из условий:

— технологический процесс должен обеспечить равномерное распределение волокон при заданном их объемном содержании, волокна должны быть изолированы слоями матрицы;

— механическое повреждение волокон должно быть сведено к минимуму;

— взаимодействие волокон с окружающей средой и с матрицей в процессе их совмещения и снижения при этом прочности волокон должно быть минимальным.

При использовании хрупких волокон (борных, углеродных, карбида кремния и др.) целесообразно применять при изготовлении изделий методы осаждения матриц из жидкого или газообразного состояния, в то время как в случае применения металлической проволоки более приемлемы методы деформационного уплотнения (прокаткой, экструзией), взрывного прессования и др.

В ряде случаев существенное влияние на структуру и свойства оказывает термическая обработка КМ. Прочность связи между компонентами и сдвиговые характеристики материалов, полученных сваркой или экструзией, могут быть улучшены в результате их отжига. Давление пропитки при получении композитов выступает не только как фактор гидродинамический, обеспечивающий пропитку матричным раствором каркаса из волокон, но и как физико-химический, определяющий интенсивность взаимодействия и обеспечивающий требуемый уровень прочностных свойств.

В дисперсноупрочненных композиционных материалах (ДУКМ) несущим элементом служит матрица, в которой с помощью множества ультрадисперсных, практически не растворяющихся в ней частиц и однородной дислокационной структуры создается эффективное торможение дислокаций, вплоть до температуры начала плавления. Такие материалы содержат равномерно распределенные в объеме матрицы ультрадисперсные нульмерные частицы, не взаимодействующие активно с матрицей и не растворяющиеся в ней.

В дисперсноупрочненных материалах оптимальным содержанием дисперсной фазы считается 15—20 об. %; ультрадисперсные частицы, в отличие от непрерывных и дискретных волокон в волокнистых композитах, создают только «косвенное» упрочнение, т.е. благодаря их присутствию стабилизируется структура, формирующаяся при деформационной термической обработке.

В дисперсноупрочненных материалах, предназначенных в основном для работы при повышенных температурах, компоненты выбирают с позиции их минимального взаимодействия. В этих KM кроме прямого взаимодействия дислокаций с упрочняющими частицами большую роль играют границы зерен или субзерен, которые дают дополнительный вклад в повышение прочности KM при низких и повышенных температурах.

При высоких температурах в дисперсноупрочненных KM важное значение имеет форма зерна, т.е. отношение его длины к диаметру. Р. Фрэзер и Д. Эванс предложили рассматривать ДУКМ как волокнистые композиты, в которых зерна, упрочненные дисперсными частицами, выполняют функцию волокон, а роль границ и прилегающих к ним областей сводится к передаче напряжений от волокна к волокну. В этом случае высокотемпературная прочность может быть повышена путем увеличения площади границ, расположенных в направлении действующих напряжений, путем увеличения отношения длины зерна к его диаметру. Для этих композитов деформационно-термическая обработка формирует направленную структуру с сильно вытянутыми зернами.

Б. Вильноксом, А. Кланером и др. установлена линейная зависимость большинства прочностных характеристик таких ДУКМ от отношения длины зерна к его диаметру, которое называется коэффициентом неравноосности зерна. Влияние этого коэффициента на прочность выражается соотношением

где о — предел прочности искомый, МПа; ор — предел прочности при l/d = 1 (при равноосном зерне), МПа; l — длина зерна, мм; d — диаметр зерна, мм; К — коэффициент неравноосности.

Указанный коэффициент зависит от температуры и скорости деформации, причем упрочняющий эффект за счет неравноосности зерна в наибольшей мере проявляется при низкой скорости деформации и высокой температуре. Коэффициент неравноосности зерна не всегда является прямой характеристикой структуры, контролирующей высокотемпературную прочность. При оценке влияния структурных факторов на высокотемпературные свойства ДУКМ необходимо учитывать и плотность дислокаций, их распределение, размер частиц, расстояние между ними, т.е. создание стабильной структуры, формирующейся при деформационно-термической обработке под воздействием тонких упрочняющих частиц, равномерно распределенных в матрице и не растворяющихся в ней.

Образованная в результате деформации и последующего высокотемпературного отжига структурная неоднородность сохраняется в ДУКМ во всем интервале температур до 0,97Tпл и является типичной для указанных материалов.

Высокая стабильность субструктуры в этих материалах при рабочих температурах вызывает значительное сопротивление ползучести, что выгодно отличает ДУКМ от конструкционных материалов по жаропрочности при температурах 0,8+0,95 Tпл.

При изучении влияния термической обработки и деформации на структуру и свойства дисперсноупрочненных сплавов установлено, что жаропрочность хрупкого материала зависит от суммарной степени деформации исходных заготовок и температуры рекристаллизационного отжига.

Практически волокнистые, слоистые и дисперсноупрочненные материалы принято относить к термодинамическим неравновесным системам. Только эвтектические композиты в силу специфических условий кристаллизации термодинамически равновесны. Во всех композиционных материалах, за исключением эвтектических, структурные элементы композитов — матрицу и армирующий компонент выбирают готовыми, а окончательно структура формируется искусственно при изготовлении изделия или полуфабриката. Одним из важных технологических факторов, определяющих тип структуры и уровень задаваемых свойств в различных частях конструкций с учетом напряженного состояния, является схема армирования, т.е. расположение слоев армирующих волокон в матрице композиционного материала.

В композиционных материалах армирующие элементы воспринимают нагрузку, а матрица передает нагрузку волокнам и распределяет ее между ними. Поэтому механические свойства таких композитов зависят прежде всего от свойств волокон.

Из всех известных армирующих материалов борные и углеродные волокна можно считать одними из наиболее перспективных для упрочнения металлических матриц, в связи с тем что предел их прочности составляет -3500 МПа, а модуль упругости -400 ГПа при плотности 1700-2600 кг/м3. Это обеспечивает достижение в KM весьма высоких значений удельной прочности и удельного модуля упругости.

К неметаллическим волокнам относят: борные, углеродные, карбида кремния, нитевидные кристаллы карбида и нитрида кремния и др.; к металлическим армирующим компонентам — волокна (проволоку) бериллия, вольфрама, стали и других сплавов.

Жесткие армирующие волокна воспринимают основные напряжения, возникающие при нагружении, придавая KM прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Податливая металлическая матрица, заполняющая межволоконное пространство, осуществляет передачу напряжений отдельным волокнам за счет касательных напряжений, действующих вдоль границы раздела волокно — матрица. Для металлической проволоки характерно повышенное удлинение при разрыве (2~5 %) по сравнению с удлинением борных (0,2-0,8 %) и углеродных волокон (0,5-1,5 %). Борные и углеродные волокна отличаются малой способностью разупрочняться с повышением температуры, малой пластичностью, высоким модулем упругости и небольшой плотностью, что важно при создании сверхвысокотемпературных композиционных материалов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: