МЕЖФАЗОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КМ

Главным условием существования композиционных материалов является наличие двух и более взаимодействующих фаз разных мате­риалов или одного материала в разных формах. Например, в угле- род-углеродных материалах и матрицей (непрерывной) наполните­лем (в форме армирующих угольных волокон) является углерод. Характер взаимодействия на границах матрица - наполнитель и их совместимость бывают разными:

1. Термодинамическая совместимость - это способность мат­рицы и армирующего элемента находиться в состоянии метастабиль- ного равновесия неограниченное время при температуре получения и эксплуатации. Это означает отсутствие химических реакций, при­водящих к разрушению системы.

2. Кинетическая совместимость означает нахождение компонен­тов в КМ в состоянии такого равновесия, при котором имеют место контролируемые адсорбция, диффузия и химические реакции. Дру­гими словами, эти процессы должны быть медленными, чтобы за время образования КМ (спекание, полимеризация и т. п.) химичес­кие реакции между компонентами не завершились.

3. Механическая совместимость требует того, чтобы обеспечи­валось соответствие упругих постоянных, коэффициентов термиче­ского расширения и показателей пластичности, которые позволили бы достичь максимально возможной прочности связи матрицы и ар­мирующего элемента.

Проиллюстрируем это на следующих видах межфазного взаимодействия:

1) Композиционные материалы, у которых матрица и наполни­тель взаимно нерастворимы и не образуют химических соединений, например Cu – W, Cu - А1₂O₃; Mg - В; А1 - В/ВN, где В/ВN - бор, покрытый нитридом бора.

2) КМ, у которых наполнитель и матрица на границе образуют друг с другом твердые растворы и не образуют химических соеди­нений и направленных эвтектик, например, Nb -W; Ni - С; Ni - W.

3) КМ, у которых компоненты на границе образуют химические соединения, например А1 - С; А1 - SiO₂; Ti - А1₂O₃; Ti - В; Ti - SiС.

Нужно отметить, что иногда вид межфазного взаимодействия определяется технологией. Возьмем пару Al - В: у них может быть и первый и третий случай.

а) КМ Al - В получают путем твердофазного спекания, здесь химическая реакция между А1 и В не успевает произойти. Это пер­вый или, еще говорят, псевдопервый случай;

б) КМ Al - В получают методом пропитки плетеного каркаса из нитей бора жидким алюминием. Жидкий алюминий, как известно, очень активный, и здесь будет иметь место третий случай, т. е. с об­разование на границе химического соединения - борида алюминия.

Таким образом, между матрицей и наполнителем могут быть следующие типы связей: механическая, связь при смачивании и раство­рении, реакционная связь и объемно-реакционная. Названные типы связей для матрицы и волокна схематически представлены на рис. 9.

Механическая связь осуществляется за счет зацепления, сил тре­ния, сил Ван-дер-Ваальса (молекулярных сил). КМ имеют обычно низкую прочность при поперечном растяжении и продольном сжа­тии, если наполнителем является волокно. Может быть спеченный каркас вместе с наполнителем, например псевдосплав Cu - W. Связь при смачивании и растворении реализуется благодаря силам повер­хностного натяжения и сопровождается небольшим растворением компонентов. Реализуется этот тип связи при пропитке волоконно­го или спеченного пористого каркаса расплавленной матрицей или смолой в отсутствие химических реакций. Например, Cu - W, Nb - W, по­лимерные пластики. После полимеризации в пластиках обычно имеет место механическая связь.

Рис. 9. Схемы связей между нитью и матрицей:

М - матрица, Н - нить (на­полнитель); а - механическая связь; б - связь при растворе­нии и смачивании; в - реакци­онная связь; г - объемно-реакционная связь

Реакционная связь осуществляется при протекании химических реакций на границе раздела с образованием химических соедине­ний, например, Ti - Cu и др.

Объемно-реакционная связь - это разновидность реакционной связи, когда объемная химическая реакция происходит в несколь­ко стадий, одна из которых контролирует скорость образования свя­зи (случай «г» на рис. 9). Например, в паре «титан, легированный алюминием, - бор» реакция осуществляется следующим образом: сначала твердый раствор алюминия в титане реагирует с бором с образованием сложного диборида ALB_х, который затем реагирует с титаном и образует диборид титана TiB_x и твердый раствор алю­миния в титане.

Конечно, названный перечень не исчерпывает всех возможных связей, т. к. в КМ могут использоваться как различные сочетания матриц и наполнителей, так и разные технологические процессы об­разования композиционных материалов.

Почти во всех случаях имеют место и играют решающую роль диффузионные процессы, описываемые первым и вторым зако­нами Фика.

- первый закон для одномерного случая,

- второй закон для одномерного случая с переменной концентрацией,

где I_Х - поток; D - коэффициент диффузии; с - концентрация; t - время.