Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ № 1-4 по дисциплине «Технология обработки материалов». Самохвалов В.В., Будник А.П

Рис. 13. Классификация композиционных материалов по структурному признаку:

а – дисперсно-упрочненные (1 –матрица, 2 – дисперсные включения),

б– волокнистые (1 –матрица, 2 – волокна),

в– слоистые (1 –матричные слои, 2 – армирующие

слои)

Структура слоистых композитов представлена чередующимися матричными и армирующими слоями. Матричными считаются слои большие по толщине. Объемная доля армирующих слоев, очевидно, задается соотношением толщин матричного и армирующего слоя.

Представление о границе раздела «матрицанаполнитель» в композиционном материале.

Первостепенное значение при проектировании любого композиционного материала имеет вопрос о границе раздела

24

между матрицей и наполнителем. Его важность обусловлена тем, что состояние указанной границы раздела определяет эффективность (или неэффективность) армирования композита тем или иным наполнителем. Так что же следует понимать под границей раздела? Речь идет о поверхности контакта матрицы с армирующим элементом (рис.14). В общем случае эта поверхность раздела по своему химическому составу и физикомеханическим свойствам отличается от таковых для матрицы и армирующего элемента. Тогда можно дать следующее определение: граница (или поверхность) раздела между матрицей и наполнителем – это область изменения химического состава и физико-механических свойств (плотность, прочность, модуль упругости) композита. Она обеспечивает связь матрицы с армирующим элементом, необходимую для передачи и распределения нагрузки между составляющими композита.

Различают композиционные материалы с малой (менее 0,5 мкм), средней (0,5 – 1,0 мкм) и большой (более 1 – 2 мкм) толщиной границы. Экспериментально показано, что композиты с малой толщиной границы раздела между матрицей и наполнителем, чаще всего, имеют более предпочтительные механические характеристики по сравнению с двумя последними. Это объясняется тем, что длина поперечной трещины, зародившейся по границе раздела первого композита, слишком мала (она соответствует толщине границы), чтобы инициировать разрушение армирующего элемента. В этом случае концентрация напряжений у вершины такой трещины намного меньше концентрации напряжений, обусловленных наличием внутренних дефектов, содержащихся в объеме самого армирующего элемента.

Важнейшей характеристикой композиционного материала является стабильность границы раздела. Имеется в виду стабильность (неизменность или постоянство) фазового состава и структуры при заданных условиях эксплуатации: температуре, давлении, времени, газовой среде и внешней нагрузке.

25

Рис. 14. Схематическое изображение границы раздела между матрицей и наполнителем:

1 – матрица, 2 – волокно (наполнитель), 3 – граница (поверхность) раздела, Р – нагрузка прикладываемая к волокну для вытягивания его из матрицы

Стабильность границы раздела призвана обеспечить высокую эксплуатационную надежность композита в течение всего времени его службы. Если при использовании композита в тех или иных условиях значительно изменяется фазовый состав его границы (т.е. происходит образование новых химических соединений с увеличением или уменьшением объема) и структура границы (например, значительный рост зерен вследствие рекристаллизации или возникновение диффузионной пористости), то это неминуемо приведет к резкому разупрочнению материала. Его невозможно использовать в качестве элементов конструкций, поскольку граница раздела в таком композите является нестабильной. Для получения стабильной границы в создаваемом композите следует рассматривать вопрос о термодинамической совместимости составляющих его фаз.

26

Рис. 15. Схематическое представление формирования механической и реакционной связи по границе раздела «матрица – наполнитель»:

а – механическая связь в КМ Al-W(волокно), где 1 – Alматрица, 2 – W-проволока, 3 – промежуточный С-слой, сж – сжимающие напряжения приложенные поперек волокна;

б – реакционная связь в КМ: Ti-B(волокно) (Ti+B= TiB2), Y2O3-Cr (Y2O3+Cr= YCr3), Al2O3-Cr (Al2O3+Cr= Cr2O3 Al2O3 (тв. р-р)), где 1 –матрица, 2 –армирующий компонент, 3 – слой, состоящий из продукта реакции

27

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Технология конструкционных материалов //А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др. – 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2004. – 512 с.

28