Совместимость компонентов в КМ

КМ по своей природе включают две или более различных фаз, сильно отличающихся по своим физическим и химическим свойствам. По этой причине возникают проблемы совместимости компонентов КМ. Эта проблема имеет несколько аспектов, которым разные исследователи уделяют разное значение. Наиболее важными представляются вопросы физической и химической совместимости.

Для обеспечения физической совместимости матрица должна иметь достаточную пластичность, податливость и прочность, чтобы передавать силовые нагрузки армирующим элементам равномерно и непрерывно. К тому же скалывающие напряжения в матрице, вызванные дефектами или движением дислокаций, не должны вызывать высоких напряжений в волокне.

Очень важным физическим свойством, определяющим связь компонентов, является температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР). Так как обычно матрица более пластична, желательно, чтобы она имела более высокий ТКЛР. Это связано с тем, что фаза, у которой указанный коэффициент более высокий, испытывает растягивающие напряжения при охлаждении от высоких температур, обычно применяемых при изготовлении КМ. Армирующие компоненты относятся к хрупким материалам, почти всегда имеющих более высокую прочность при сжатии. Для оценки уровня термических напряжений в аналитических исследованиях используется два подхода, один из которых – модель коаксиальных цилиндров. Для КМ с небольшим содержанием волокон принимается за внутренний цилиндр волокно, за наружный – матрица.

Из рисунков видно, что в волокне напряжения сжимающие, а в матрице – в основном растягивающие. Для КМ с большим содержанием волокна ОН меняют знак.

Нежелательное влияние термических ОН может быть уменьшено, если перераспределить их, осуществляя деформацию в пластической области. При этом возникают ОН, обусловленные различием модулей упругости матрицы и волокна. Разумеется, знак дополнительной составляющей ОН, создаваемой при нагружении, должен быть противоположен знаку ОН, возникающих при охлаждении. В результате общее напряженное состояние становится менее жёстким.

Химическая совместимость является более сложной проблемой. Здесь следует рассматривать несколько типов композиций.

1) Естественные композиции, в которых две фазы находятся в термодинамическом равновесии (например, эвтектические сплавы) при температурах их изготовления. Здесь могут возникнуть проблемы (хотя для эвтектик химические потенциалы фаз равны и влияние удельной поверхностной энергии сведено до минимума), если материал эксплуатируется при температурах, отличных от температур их изготовления, но в то же время есть заметная зависимость фазовых превращений или концентраций компонентов в фазах от температуры.

2) Искусственно полученные композиции, в которых скорость химических реакций, приводящих к ухудшению совместимости между фазами, достаточно мала и существенного ухудшения свойств просто не успевает произойти.

3) Трудности могут возникнуть при соединении двух фаз друг с другом, как например, в случае с графитовыми волокнами, для которых смачиваемость и соединение волокон с матрицей затруднены.

4) Серьёзные затруднения при производстве композиций вызывает химическое взаимодействие с внешней средой, которое проявляется как коррозионное растрескивание и окисление.

5) Очевидно, наиболее важная задача химической совместимости связана с непосредственной реакцией между волокном и матрицей. Для композиций с легкоплавкими металлическими матрицами, такими как бор – алюминий, химические реакции предотвращаются путём использования возможно более низких температур изготовления. Для матриц с малым сопротивлением ползучести высокие давления позволяют использовать более низкую температуру и получить на ряду с этим хорошее уплотнение и связь. Некоторые системы, например бор – магний или медь – вольфрам, могут быть изготовлены методом пропитки расплавом, так как так как указанные компоненты систем не взаимодействуют друг с другом и являются взаимно нерастворимыми.

6) Особенно сложно иметь дело с жаропрочными материалами. Для обеспечения химической совместимости жаропрочных композиций необходимо учитывать:

а) свободную энергию взаимодействия двух фаз F или G;

б) химический потенциал µ;

в) поверхностную энергию σ;

г) коэффициент диффузии на границе зёрен D.

Свободная энергия взаимодействия F представляет собой функцию состояния системы, определяемую тождеством F=U-TS, где U – внутренняя энергия системы, S – энтропия, T – абсолютная температура (U и S тоже являются функциями состояния, т. е. они зависят только от начального и конечного состояния системы и не зависят от пути, которым система пришла в это состояние). Функцию F называют также свободной энергией Гельмгольца или изохорно-изотермным потенциалом. Однако, её обычно используют, когда процессы идут при постоянном объёме. На практике чаще процессы протекают при постоянном давлении, что позволяет использовать новую функцию состояния, определяемую как G = F + pV = U – TS + pV. Величина G называется свободной энергией Гиббса или изобарно – изохорным потенциалом. Изменение свободной энергии ΔF или ΔG является движущей силой этой реакции и при повышенных температурах степень изменения этих движущих сил становится очень важной.

Химический потенциал µ характеризует изменение свободной энергии системы при изменении концентрации i-го вещества и потенциал определяется выражениями

или. Можно выразить его и через другие функции состояния – внутреннюю энергию и энтальпию. Другими словами, химический потенциал отражает отношение концентрации данного элемента в каждой фазе к его предельно возможной концентрации. Также это парциальная мольная свободная энергия компонента. Для обеспечения химической совместимости КМ необходимо обеспечить равенство химических потенциалов в фазах. Например, если композиция будет изготовлена из никелевого сплава, упрочнённого частицами окиси алюминия, то химический потенциал алюминия, кислорода и т.д. должен быть одинаков в обеих фазах. Неравенство потенциалов в фазах, являющихся компонентами КМ, часто приводит к межфазной нестабильности и ухудшает свойства армирующего компонента.

Коэффициент диффузии D представляет собой количество вещества, диффундирующего через единицу площади (1 см²) в единицу времени (1 с) при перепаде концентрации, равном единице. Он зависит от природы материала, размеров зерна и особенно от температуры: D=D₀exp(-Q/RT), где R=8,31۰10³ Дж/кмоль۰град – универсальная газовая постоянная;

Q – энергия активации диффузии;

T – абсолютная температура.

Вторичные диффузионные эффекты, контролируемые константами пограничной диффузии, могут резко менять взаимосвязь между компонентами КМ. Так, в композите никель – вольфрам снижается температура рекристаллизации вольфрама вследствие диффузии никеля. К другим вторичным диффузионным эффектам относится охрупчивание за счет образования жидкой фазы и водородное охрупчивание. Последний эффект может возникнуть, когда концентрация внедренного водорода в одной из фаз высока и неблагоприятно сказывается на другой фазе.

Поверхностная энергия двухфазной смеси может быть очень высокой, что приводит к межфазной нестабильности. Эта проблема особенно важна для КМ, упрочнённых нитевидными кристаллами.

ЛЕКЦИЯ №4

Дата добавления: 2014-01-03