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 ALBх, который затем реагирует с титаном и образует диборид титана TiBx 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 IХ - поток; D - коэффициент диффузии; с - концентрация; t - время.
Дата добавления: 2015-07-10; просмотров: 2148;