Поверхности разделов в композиционных материалах - Контрольная работа

Министерство образования и науки РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Выполнил студент Молоканов П.Ю. группы 430591Создание композиционных материалов стало объектом особого внимания только в последние пятнадцать лет, хотя идея применения двух или более исходных материалов в качестве компонентов, образующих композиционную среду, существует с тех пор, как люди стали иметь дело с материалами. Таким образом, композит можно изготавливать из компонентов, которые сами по себе не удовлетворяют всем предъявляемым к материалу требованиям. Хотя композиты используются в инженерной практике уже много лет, наука о них в том виде, в каком она сейчас существует, появилась лишь после того, как композиционные материалы стали работать в особо суровых условиях (например, в космосе). Быстро растущий в последнее время интерес к поверхностям раздела станет понятным, если проследить историю развития композитов с металлической матрицей. При выборе модельных систем руководствовались в основном совместимостью упрочнителя и матрицы; модельные системы состояли из матриц (например, серебра или меди), химически малоактивных по отношению к упрочнителям (например, вольфраму или окиси алюминия).Авторы расширили работу Джеха по системе медь - вольфрам, исследовав ряд систем медный сплав - вольфрам. Они соответствуют случаям, когда а) на периферии проволоки наблюдается рекристаллизация; б) на поверхности раздела образуется новая фаза; в) матрица и проволока взаимно растворяются. Если легирующий элемент медного сплава растворим в вольфраме (например, хром или ниобий), то по мере его перехода в вольфрам на поверхности раздела образуется твердый раствор. (1967), анализируя эти результаты, пришли к выводу, что изменение свойств композита при легировании матрицы, вероятно, обусловлено реакциями на поверхности раздела. Аналогичным образом система медь (титан) - вольфрам включена в третий класс, поскольку, как показано на рис.Далее было сделано предположение, что поверхность раздела прочнее матрицы и поэтому передача нагрузки от волокна к волокну определяется пластическим течением матрицы. Независимо от уже имевшихся количественных оценок некоторые исследователи указывали, что свойства композитных материалов должны зависеть от того, насколько поверхности раздела отличаются по свойствам от матрицы и волокна. В числе характеристик, определяемых прочностью поверхности раздела при растяжении, авторы называют поперечную прочность, прочность на сжатие и сопротивление распространению трещины в процессе расслаивания при испытании на растяжение. В системах второго и третьего классов на границе волокно - матрица появляется зона конечной ширины, отличающаяся по свойствам как от матрицы так и от волокна. Предел прочности матрицы при сдвиге входит в выражения для критической длины волокна, обеспечивающей передачу нагрузки от матрицы к волокну.Представления о природе поверхности раздела усложнились, когда было показано, что теоретически предсказуемые значения механических свойств могут быть обеспечены разнообразными типами поверхности раздела; тем не менее, роль поверхности раздела остается неизменной.Почти все работы по механике композитов основаны либо на предположении, что поверхность раздела совершенна, т. е. прочнее матрицы, либо на предположении, что на поверхности раздела отсутствует связь между матрицей и упрочнителем. Эти работы отвечают условиям нагружения, не приводящим к разрушению по поверхности раздела. Под действием продольных напряжений передача нагрузок между волокном и матрицей может осуществляться на больших длинах, и поэтому напряжения сдвига на поверхности раздела могут быть невелики. Приложение к композиту внеосных напряжений может создать еще более жесткое напряженное состояние на поверхности раздела; оно зависит от относительной прочности поверхности раздела под действием различных напряжений и их сочетаний (рис. Значительные объемы композита, расположенные по обе стороны от магистральной трещины, могут быть охвачены одновременным действием различных механизмов разрушения, а в таких случаях, как показали Эдсит и Витцелл (1969) на примере композитов алюминии - бор, вязкость разрушения композита может превосходить вязкость разрушения металлической матрицы.В докладе на симпозиуме Американского института горных и металлургических инженеров, посвященном композитным материалам с металлической матрицей, Бэрт и Линч (1969) назвали совместимость волокна и матрицы проблемой, определяющей развитие технологии указанных композитов. Совместимость в данной системе оказалась существенно выше, чем в системе титан - бор, однако в дальнейшем это направление не развивалось под действием ряда факторов. Однако удачный выбор покрытия, совместимого с упрочнителем, позволяет свести проблему совместимости матрицы с волокном к совместимости матрицы с покрытием.

Содержание

Введение

1. Типы поверхностей раздела

2. Модели поверхностей раздела

3. Требования к поверхностям раздела

3.1 Механические требования к поверхностям раздела

3.2 Физико-химические требования к поверхностям раздела

3.3 Методы исследования поверхности раздела в композитах

Список литературы

Создание композиционных материалов стало объектом особого внимания только в последние пятнадцать лет, хотя идея применения двух или более исходных материалов в качестве компонентов, образующих композиционную среду, существует с тех пор, как люди стали иметь дело с материалами. С самого начала цель создания композитов состояла в том, чтобы достичь комбинации свойств, не присущей каждому из исходных материалов по отдельности. Таким образом, композит можно изготавливать из компонентов, которые сами по себе не удовлетворяют всем предъявляемым к материалу требованиям. Поскольку эти требования могут относиться к физическим, химическим, электрическим и магнитным свойствам, оказалось необходимым участие исследователей разных специальностей.

Хотя композиты используются в инженерной практике уже много лет, наука о них в том виде, в каком она сейчас существует, появилась лишь после того, как композиционные материалы стали работать в особо суровых условиях (например, в космосе). Усилиями ученых и инженеров в рамках осуществления правительственных исследовательских программ за короткое время созданы совершенно новые материалы, технология производства и аналитические методы расчета для обеспечения рынка, хотя и ограниченного, но зато с постоянно возрастающими требованиями.

Резкое снижение уровня правительственных ассигнований на разработку композиционных материалов в конце 60-х годов и переориентация многих исследователей и учреждений на новую тематику привели к тому, что до сих пор не появилось доступного издания, отражающего итоги очень важных разработок. Между тем совершенно очевидно, что полученная информация - если ее правильно оценить и усвоить - может быть использована для создания материалов как общего, так и специального назначения, обладающих нужными механическими, технологическими и экономическими характеристиками.

Быстро растущий в последнее время интерес к поверхностям раздела станет понятным, если проследить историю развития композитов с металлической матрицей. Ранние работы по композитным материалам были направлены на выявление принципов, определяющих их эксплуатационные характеристики. Для этой цели были удобны простые модельные системы. При выборе модельных систем руководствовались в основном совместимостью упрочнителя и матрицы; модельные системы состояли из матриц (например, серебра или меди), химически малоактивных по отношению к упрочнителям (например, вольфраму или окиси алюминия). Хотя в этих работах и признавалась важная роль поверхностей раздела, модельные системы позволяли сравнительно легко получать тип поверхности, обеспечивающий необходимую передачу нагрузки от одного компонента композита к другому. В системах представляющих большой практический интерес, матрицами служат обычные конструкционные материалы, такие, как алюминий, титан, железо, никель; они обладают большими реакционной способностью и прочностью, чем матрицы модельных систем. Повышенная реакционная способность затрудняет управление состоянием поверхности раздела, а для передачи больших нагрузок требуется более высокая прочность этой поверхности. Таким образом, состояние поверхности раздела становилось все более важным фактором, по мере того, как интересы исследователей перемещались, отдельных систем к перспективным инженерным материалам.

Проблемы, связанные с состоянием поверхности раздела, свойственны не только композитам с металлической матрицей. Для улучшения состояния поверхности раздела в стеклопластиках стеклянные волокна подвергают аппретированию. Известно, что оптимальное аппретирование является нелегким компромиссом между рядом требований, таких, как защита отдельных нитей от механических повреждений, хорошая связь стекла с полимером, сохранение этой связи в условиях эксплуатации, особенно в присутствии влаги. Оптимизация состояния поверхности раздела в композитных материалах с металлической матрицей требует, по-видимому, аналогичных компромиссных решений. Требования к поверхности раздела в металлических композитных материалах не менее жестки, чем для стеклопластиков. Так, уже упоминалась химическая несовместимость многих сочетаний матрица - волокна вследствие как недостаточной, так и излишней реакционной способности (в первом случае имеются в виду системы, где механическая связь компонентов не достигается изза отсутствия соответствующих физико-химических эффектов). Еще одно важное требование - стабильность поверхности раздела; оно становится решающим в условиях высокотемпературной эксплуатации, для которых, собственно, и предназначены композиты с металлической матрицей. Кроме того, металлические композитные материалы должны работать в более разнообразных условиях нагружения, чем неметаллические, поскольку в металле возможны различные случаи внеосного нагружения, передаваемого матрицей в тех направлениях, где упрочняющей фазы мало или вовсе нет.

Первоначально при выборе матрицы и волокна для всех систем предполагали использовать те же основные принципы, что и для модельных систем. Джех и др. (1960) показали справедливость правила смеси для композитов как с непрерывными, так и с короткими волокнами, избрав для этого систему медь - волокно. Медь и вольфрам, по существу, взаимно не растворимы и не взаимодействуют химически; соответственно они не образуют соединений. Таким же образом Саттон и др. (1960-1964) на модельной системе серебро - усы сапфира убедительно продемонстрировали эффект упрочнения нитевидными кристаллами. Степень взаимодействия между серебром и усами сапфира даже меньше, чем между медью и вольфрамом, поскольку расплавленное серебро не смачивает сапфир. Для улучшения связи с расплавленным серебром те же авторы напыляли на поверхность сапфира никель. Однако связь между никелем и сапфиром была, вероятно, чисто механической, а на поверхности раздела никель - сапфир твердый раствор не образовывался. Поэтому не удивительно, что Хиббард в обзоре, представленном в качестве вводного доклада на конференции 1964 г. Американского общества металлов счел необходимым заключить: «Для взаимной смачиваемости матрицы и волокна необходимо, чтобы их взаимная растворимость и реакционная способность были малы или вообще отсутствовали». Это условие, как правило, реализуется для определенного типа композитных материалов, а именно, ориентированных эвтектик. Во многих эвтектиках предел растворимости несколько изменяется с температурой, что, вообще говоря, является причиной нестабильности, хотя в известной степени и компенсируется особым кристаллографическим соотношением фаз. Однако в большинстве практически важных случаев это условие не выполняется. После конференции 1964 г. основные успехи были достигнуты в области управления состоянием поверхности раздела между упрочнителем и матрицей. Ни серебро, ни медь не являются перспективными конструкционными материалами. Что же касается реакций между практически важными матрицами и соответствующими упрочнителями, то они очень сложны и могут приводить к самым разнообразным типам поверхностей раздела.