Поверхности раздела в композиционных материалах

Предлагаемая читателю книга Структура и свойства композиционных материалов охватывает все стороны указанной проблемы. В книге рассмотрены физико-химические и механические аспекты поверхностей раздела в композиционных материалах и их влияние на прочностные свойства. Изложены особенности структуры и свойств, методы получения армирующих средств и их классификация на нуль-мерные, одномерные, двухмерные. Описаны способы получения различных композиционных материалов пропиткой, диффузионной сваркой под давлением, газофазными, химическими и другими методами. [c.4]

Композиционные материалы являются гетерогенными системами которые состоят из нескольких фаз различной природы. Термодинамическая нестабильность большинства композиционных материалов приводит к межфазному взаимодействию компонентов как в процессе изготовления, так и в условиях эксплуатации. Некоторое взаимодействие на поверхностях раздела в композиционных материалах необходимо, так как через них осуществляется связь между составляющими композиции и передача напряжений. Однако интенсивное взаимодействие приводит к взаимному растворению компонентов, возникновению промежуточных фаз, которые во многих случаях образуют хрупкие зоны, ускоряющие появление трещин в волокне и оказывающие влияние на уровень механических свойств композиционного материала. Это вызывает необходимость детального изучения вопросов, связанных с взаимодействием матрицы и волокон при повышенных температурах. [c.29]

Существует класс задач, которые требуют непосредственно численного моделирования сингулярностей. Сюда относится изучение поведения треш,ины в неоднородных анизотропных телах, поверхностных дефектов в трехмерных телах, треш,ин на поверхностях раздела >в композиционных материалах, задачи о концентраторах напряжений во входящих углах и т. п. Как правило, сингулярности, подлежащие моделированию, представляют собой функциональные зависимости типа 0< а < 1, где R — расстояние до точки сингулярности. Эта глава посвящена конструированию сингулярных конечных элементов, окружающих точечную или линейную сингулярность, которые бы включали в себя функциональные зависимости типа R . [c.180]

Из имеющихся в настоящее время примеров применения локальных методов исследования поверхностей к решению прикладных задач рассмотрим касающиеся только следующих областей сегрегации примесей на поверхности, границах зерен, межфазных границах коррозии (включая межкристаллитную) и окисления. Имеются работы по контролю поверхностей раздела в композиционных материалах [7], идентификации атомных структур и выделяющихся на поверхности фаз [5], поверхностной диффузии и поверхностных реакций, адгезии и износа. Много работ посвящено исследованию поверхности катализаторов в связи с Их активностью [6] и материалам полупроводниковой техники [8]. Все результаты, приведенные ниже, получены методом ОЭС, иногда в сочетании с другими методами. [c.158]

Типы Связи и структур поверхностей раздела в композиционных материалах [c.497]

Для исследования вопросов прочности соединения фаз разработана методика и сконструирована специальная установка, позволяющая изучать зависимость прочности адгезионных соединений в композиционных материалах от соотношения величины нормальных и касательных напряжений в зоне раздела компонент, т. е., по существу, до некоторой степени управлять видом напряженного состояния системы. Особенностью разработанной методики является использование образца, состоящего из двух одинаковых жестких полуколец, соединенных между собой с помощью исследуемой связи. Нагружающая сила приложена к внутренней поверхности кольца в диаметрально противоположных точках. Схема нагружения образца показана на рис. 65, где образец из двух полуколец /, соеди- [c.155]

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТАХ [c.440]

Настоящая книга является одним из 8 томов энциклопедического издания Композиционные материалы . В ней рассматриваются Практически все аспекты исследования внутренних поверхностей раздела в полимерных композитах, армированных традиционными стекловолокнами, а также борными и углеродными волокнами. Читатель найдет в книге описание современных методов исследования поверхностей раздела, анализ основных теорий аппретирования и адгезии полимерных матриц к упрочнителям. Впервые опубликованы сведения о химии поверхности высокомодульных и высокопрочных волокон бора и углерода и химии поверхности раздела в армированных ми композитах. [c.4]

Два события, имевшие место в 1963 г., послужили новым толчком для интенсивного изучения химии поверхности раздела. Одним из них явилось создание комитета по проблеме поверхности раздела в волокнистых композитах. Этот комитет должен был всесторонне изучить проблему композиционных материалов, выделить наиболее важные вопросы и сделать рекомендации по субсидированию конкретных работ. В работе комитета приняли участие представители университетов, правительства и специалисты различных отраслей промышленности. Заключение комитета (МАБ-214-М) было опубликовано в 1965 г., и его осно-вной вывод состоял в том, что фактически в течение 15 лет при разработке композиционных материалов химия поверхности раздела не принималась во внимание. [c.14]

В первом томе собраны сведения о физико-химических процессах, протекающих на поверхности раздела в металлических композиционных материалах. Рассмотрено механическое поведение, роль поверхности раздела в процессах разрушения и ее влияние на основные механические свойства. [c.295]

Поверхности раздела в волокнистых и слоистых композиционных материалах можно рассматривать как самостоятельный элемент структуры. Точнее, следует говорить не о геометрической поверхности раздела, а о прилежащей к поверхности раздела области, в которой протекают процессы растворения, образования и роста новых фаз, перераспределения примесей и т. д. [c.6]

К первой группе принадлежат композиционные материалы, в которых компоненты практически нерастворимы и не вступают в химические реакции. Вторую группу составляют композиционные материалы, в которых волокна и матрица растворимы взаимно, но не образуют побочных продуктов взаимодействия. Наконец, в композиционных материалах третьей группы на поверхностях раздела образуются продукты химического взаимодействия. [c.58]

С геометрической точки зрения поверхность раздела бесконечно тонка. Однако с физико-химической точки зрения она имеет конечную толщину и представляет некоторую область, в которой происходят сложные процессы адсорбции, сегрегации примесей, растворения и роста новых фаз. В связи с этим, определяя поверхность раздела в металлических композиционных материалах, следует иметь в виду, что она представляет собой зону конечной толщины с существенно измененным химическим составом. В этой области формируется связь между матрицей и упрочняющими волокнами, которая необходима для передачи напряжений между составляющими композиционного материала. Из этого определения непосредственно следует, что связь между составляющими композиционного материала необходима для передачи напряжений через поверхность раздела, поэтому состояние последней во многом определяет механические свойства композиций. [c.58]

При распространении трещины перпендикулярно слоям в композиционном материале происходит ее торможение в результате распределения вдоль поверхности раздела слоев вблизи вершины растущей трещины. [c.67]

Никель является основой большинства суперсплавов, разработанных для деталей газовых турбин, поэтому именно он и используется наиболее часто в качестве матрицы в разрабатываемых композициях высокотемпературного назначения. В большинстве работ, описываемых в этой главе, в качестве матриц применяли чистый никель или простые нихромовые сплавы. Легирующие добавки в сложных суперсплавах могут вызывать интенсивное взаимодействие на поверхности раздела волокно — матрица они также повышают твердость матрицы, что затрудняет изгото-вление композиций с помощью диффузионной сварки. Вместе с тем в композиционных материалах большинство добавок не является необходимым и не требуется для достижения прочности, так как в этих материалах основную приложенную нагрузку воспринимают упрочняющие волокна. Следовательно, свойства матрицы композиционного материала должны быть оптимизированы так, чтобы она обеспечивала защиту упрочнителя, обладала пластичностью и вязкостью, сопротивлялась окислению вклад же ее в прочность системы может быть незначительным. [c.167]

Последнее десятилетие характеризуется всплеском интереса к исследованию поверхности твердых тел и происходящих на ней процессов. Речь идет о поверхностях раздела твердое тело—газ (адсорбция, катализ, атмосферная коррозия, поверхностная диффузия и растекание, адгезионный износ), твердое тело — жидкость (коррозия, жидкометаллическая хрупкость), о внутренних поверхностях раздела в металлах (межкристаллитная внутренняя адсорбция, диффузия по границам зерен и фаз, микролегирование, хрупкость, межкристаллитная коррозия, стабильность композиционных материалов) и о процессах в тонких пленках и на границе раздела пленка—матрица (защитные покрытия, микроэлектроника). Физика поверхностных явлений — это сейчас одна из самых (если не самая) быстро развивающихся областей физики твердого тела. [c.116]

ХОДУ, материал считается состоящим из отдельных связанных между собой слоев. Каждый слой предполагается однородным (что следует из феноменологического анализа) и ортотропным. Распределение деформаций по толщине пакета принимается линейным. Критерий разрушения записывается последовательно для каждого слоя в отдельности и предельная нагрузка для материала определяется в предположении допустимости нарушения его сплошности в процессе деформирования. Согласно второму подходу, слоистый материал рассматривается как однородный анизотропный критерий разрушения записывается сразу для всего пакета слоев. Первая процедура предполагает известными прочностные характеристики отдельного слоя (см. раздел II). Далее на основании этих данных поверхности разрушения слоистых материалов с произвольной структурой формируют теоретически. Такой подход получил наибольшее распространение при оценке прочности современных композиционных материалов, так как в процессе проектирования конструкции приходится рассматривать множество возможных структур материала. Вторая процедура предполагает известными прочностные характеристики рассматриваемого слоистого материала. Она эффективна для материалов, армированных тканями и образованных из одинаковых слоев. Далее рассмотрены критерии, основанные на послойной оценке прочности материала. [c.80]

Главная проблема корректного моделирования поведения композиционного материала состоит в адекватном представлении сложных граничных условий, получающихся при выделении локальной области для исследования ее напряженно-деформированного состояния, например при выделении изолированного волокна с непосредственно окружающим его материалом матрицы. На поверхности раздела двух материалов необходимо поставить граничные условия в напряжениях и (или) в перемещениях так, чтобы они верно отражали реальные физические условия на этой поверхности. Однако из-за многократного взаимодействия волокон перемещения и напряжения внутри композита распределены чрезвычайно сложным образом, так что значения напряжений и перемещений на поверхностях раздела, являющиеся граничными условиями задачи, вообще говоря, неизвестны. [c.213]

Виды роста усталостных трещин, наблюдавшиеся в металлах, армированных волокнами, соответствуют прогнозам, сделанным на основе рассмотрения упругого поля напряжений у конца трещины. Было обнаружено большинство из отмеченных в табл. III эффектов влияния поверхности раздела на рост трещин [22]. Эти и другие возможные виды роста усталостных трещин проиллюстрированы на рис. 10. То, какой из видов роста трещин реализуется в данном композиционном материале, зависит от относительных модулей, предела текучести и вязкости волокна и матрицы и от прочности и структуры поверхности раздела между ними. По-видимому, идеальным в смысле усталостной прочности является такой армированный волокнами металл, который имеет вязкую матрицу, обладающую невысоким пределом текучести, хрупкие волокна с высоким пределом текучести и слабое сцепление на поверхностях раздела (т. е. разрушение происходит на поверхности раздела, а не в матрице) [22]. [c.418]

Розен [73] применил отмеченные статистические результаты к композиционным материалам. При этом в качестве длины звена цепи принималось расстояние, на котором напряжение по обе стороны от разорванного волокна выравнивается почти полностью. Эта длина тесно связана с длиной передачи на волокно нагрузки и аналогичным образом зависит от прочности волокон и свойств поверхности раздела. Предполагалось, что, хотя в звене, содержащем разорванное волокно, последнее не дает вклада в прочность звена, в других местах несущая способность волокна остается неизменной. Статистическая информация о распределении дефектов была получена из измерений прочности испытанных моноволокон в зависимости от их длины таким образом, рассчитывались свойства звеньев (пучков), а затем и свойства всего композита. [c.454]

Из всего многообразия применяемых в данное время композиционных материалов системы металл—металл или металл—неорганическое вещество в зависимости от формы поверхности раздела могут быть выделены две основные группы I — материалы матричного типа, состоящие из различным образом расположенных упрочняющих частиц или армирующих элементов, соединенных связующим веществом, и II — материалы слоистого типа, к которым следует отнести биметаллы, а также различного рода многослойные металлические материалы (рис. 114). Предлагаемая схема охватывает лишь некоторые основные типы композиционных материалов. Необходимо отметить, что для создания рациональных композиций материалов как первой, так и второй групп очень важно изучить процессы взаимодействия компонентов. Эта взаимодействие может быть как физико-меха-ническим (возникающим в процессе совместного деформирования), так и химическим (образующимся в результате протекания диффузионных процессов). Следует различать первичное взаимодействие между компонентами, развивающееся на поверхностях раздела при изготовлении материала, и вторичное взаимодействие составляющих, возникающее в условиях службы материала при различных режимах теплового и механического нагружения. [c.199]

Работа разрушения композиционных материалов. Работа разрушения является важной инженерной характеристикой, во многом определяющей пригодность материалов для изготовления из них деталей и конструкций. Для волокнистых композиций общая работа разрушения значительно больше суммы работ разрушения составляющих с учетом их объемных долей. Это связано с тем, что при разрушении волокнистых композиций существуют специфические механизмы рассеяния энергии, такие как вытягивание волокон из своих гнезд и связанная с этим работа разрушение связи по поверхности раздела волокно—матрица. Последний процесс также связан с затратой энергии В случае пластичных матриц, например металлических, большой вклад в работу разрушения композиций вносит работа пластической деформации G . Таким образом, общая работа разрушения композиции будет состоять из трех слагаемых [c.23]

Из имеющегося в настоящее время большого числа применений локальных методов исследования поверхностей к решению прикладных задач рассмотрим некоторые, касающиеся только двух областей сегрегации примесей на поверхности, границах зерен, межфазных границах, а также коррозии и окисления, включая межкристаллитную коррозию. Помимо этого, имеются работы по контролю поверхностей раздела в композиционных материалах [10.91, по идентификации атомных структур и выделяющихся фаз на поверхности [10.71, поверхностной диффузии и поверхностным реакциям, адгезии и износу. Большое число работ посвящено исследованию поверхности катализаторов в связи с их активностью [10.8] и материалам полупроводиковой техники [10.101. Все результаты, приведенные ниже, получены методом ОЭС, иногда в сочетании о другими методами. [c.129]

Книга посвящена рассмотрению результатов изучения поверхности раздела упрочнитель — полимерная матрица в композиционных материалах волокнистого строения. В ней подробно обсуждаются проблемы, которые были только затронуты в книге Современные композиционные материалы . Среди них такие, как химия поверхности армирующих волокон, природа связи на поверхности раздела, роль различных обработок поверхности волокон (в основном силановыми аппретами) в формировании границы раздела полимер — минеральные волокна, механизм передачи напряжений через поверхность раздела, влияние начальных термических напряжений на механические свойства композитов, стабильность композитов при воздействии влаги. [c.5]

Характеристика поверхностей раздела будет полней, если рассмотреть вопрос о природе сил связи между волокном и матрицей. Тип связи в композиционных материалах, естественно, зависит от технологии их получения. Например, если композиция алюминий—борное волокно получена заливкой пучка волокон расплавленным алюминием, то она относится к третьей группе, и связь в ней осуществляется в результате химической реакции борного волокна с расплавом алюминия волокно частично растворяется с образованием диборида алюминия AlBj. Однако если эта же композиция получена по оптимальной технологии горячего прессования, то она имеет все характеристики псевдопервой группы, [c.58]

Основное физико-химическое требование к поверхностям раздела состоит в том, чтобы в процессе работы композиционного материала они сохраняли свою стабильность. Стабильность поверхностей раздела может быть нарушена в результате протекания химических реакций, процессов сфероидизации или агломерирования. Различают несколько видов физико-химической нестабильности поверхностей раздела в металлических композиционных материалах. [c.66]

Конечная цель анализа роли поверхностей раздела в поведении композиционных материалов состоит в том, чтобы выяснить, в какой мере они влияют на механические свойства и характер разрушения. Если сдвиговая прочность поверхностей раздела выше прочности на сдвиг матрицы, то разрушение композиций начинается либо в матрице, либо в волокнах. Такая ситуация реализуется в композиционных материалах с прочными поверхностями раздела . Поскольку механические свойства таких композиционных материалов не зависят от состояния поверхностей раздела, здесь не будут рассматриваться такие материалы. В другом предельном случае, когда связь между компонентами является слабейшим звеном, разрушение композиций начинается с поверхностей раздела. Чаще всего композиции со слабыми поверхностями раздела относятся к третьей н псевдопервой группам. В композициях со слабыми поверхностями раздела возможны четыре типа разрушения [c.72]

Имеется довольно обширная литература, посвященная теплопроводности в гетерогенных средах, появление которой объясняется главным образом технологической важностью применения таких материалов в качестве теплоизоляции. Изоляционные материалы на основе минеральных волокон можно рассматривать как одну из разновидностей композиционных материалов, в которых окружающий воздух играет роль непрерывной матрицы. Вследствие наличия в таких материалах двух фаз — газообразной и твердой— их называют двухфазными материалами. Однако использо-Bainie такого термина для композиционных материалов, в которых оба компонента находятся в твердом состоянии, оказалось ие вполне точным. Само понятие композиционный уже указывает на присутствие в таком материале более одного компонента и оказывается вполне достаточным для его характеристики. Несмотря на несомненное принципиальное сходство между волокнистыми теплоизоляциоными и композиционными материалами, имеется и существенное различие, оказывающее заметное влияние на свойства, связанные с явлениями переноса в композиционных материалах. В изоляционных материалах непрерывная фаза (воздух или какой-либо другой газ) находится в непосредственном контакте с волокнистым твердым телом. В композиционных материалах конструкционного назначения матрица и армирующий наполнитель приводятся в контакт в процессе формования под действием заданного давления и температуры. Любой дефект, образующийся в процессе формования, например иесмачивание части армирующего наполнителя полимерным связующим, присутствие воздушных включений на поверхностях уплотненного волокнистого мата, препятствует равномерному распределению компонентов и в дальнейшем приведет к возникновению сопротивления на границе раздела фаз. Кроме того, очевидно, что в течение определенного периода времени под действием, например, влаги, влияние этих неблагоприятных условий будет увеличиваться. Хотя этот эффект может быть легко обнаружен, поскольку он приводит к ухудшению механических свойств композиционных материалов, оказывается, что в литературе отсутствуют какие-либо сведения о его влиянии на тепло- и электропроводность. [c.287]

Концентрация напряжений у концов разрушенного волокна также может снижать эффективную прочность композиции. В композиционных материалах трещина, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном приложенной растягивающей нагрузке, может быть остановлена на поверхности раздела волокно — матрица вследствие того, что максимальное напряжение у вершины трещины в матрице приблизительно равно пределу прочности матрицы и мало по сравнению с напряжением разрушения волокна. Например, в композиции алюминий — бор напряжение у вершины трещины по мере ее распространения в алюминии равно 350 МН/м (35 кгс/мм ), а локальная прочность волокна обычно близка к 4,2 ГН/м (420 кгс/мм ). Этот механизм притупления вершины трещины изображен на рис. 12. В связи с этим концентрация н нряжений вокруг вершины трещины не приводит к нестабильному росту трещин в этой системе. Однако в системе титан — окись алюминия, где отношение прочности волокна к прочности матрицы 2 1, такая концентрация напряжений у вершины трещин может сильно охрупчивать или o Jraблять композицию. [c.32]

В настоящей главе была сделана попытка дать сводку результатов, полученных в различных экспериментальных и теоретических работах по волнам и колебаниям, возникающим в направленно армированных композитах, для случая малых деформаций и линейных определяющих уравнений. Эта попытка представляется своевременной, так как за последние годы достигнуты значительные успехи в понимании особенностей линейного динамического поведения композиционных материалов. Линейная теория с ее точными результатами для слоистой среды и различными хорошо обоснованными приближенными подходами к описанию как слоистых, так и волокнистых композитов в настоящее время близка к полному завершению. Этот объем теоретических сведений дополняется экспериментальной проверкой результатов, относящихся к распространению сину-соида льных волн и импульсных возмущений. Следует отметить, однако, что необходимость проведения дальнейших экспериментальных исследований все еще остается важной. Многое еще предстоит сделать и в решении задач с нестационарными волнами, в особенности в определении локальных значений полевых переменных, таких, как напряжения на поверхности раздела фаз и динамическая концентрация напряжений. [c.388]

Использование композиционных материалов требует от конструктора учета двух обстоятельств. Во-первых, само конструирование становится более сложным, так как необходим учет направленности волокон в слоях и в материале в целом и изменения в связи с этим свойств. Подробнее этот вопрос рассмотрен в разделе V этой главы. Во-вторых, можно использовать множество конструктивных решений, повышаюш их аэродинамические характеристики (аэродинамический профиль, чистоту поверхности, соотношение габаритных параметров). Это требует от конструктора разносторонних технических знаний и новаторского мышления, что особенно важно при проектировании перспективных летательных аппаратов. Этот вопрос будет рассмотрен в разделе VII этой главы. Кроме того, композиционные материалы позволяют снизить стоимость как производства, так и эксплуатации самолетов и повысить их надежность. Новые конструктивные идеи, реализуемые при использовании композиционных материалов, позволяют значительно улучшить летные характеристики самолетов. [c.43]

Увеличение глубины диффузионного проникания до величин X 1000-10 см может все сильнее ухудшать усталостную прочность композита даже тогда, когда на поверхностях раздела отсутствуют бориды алюминия вероятно, следует ожидать, что влияние такой взаимодиффузии будет более вьсраженным в случае ориентации волокон под углом к оси нагружения. Для величин X < 250-10 см и поверхностей раздела, имеющих частично механический характер, усталостная прочность композита алюминия 6061-0 с бором заметно улучшается по сравнению с той, которой обладают современные композиционные материалы. Таким образом, металлургическая структура поверхностей раздела является переменчивым фактором, который играет важную роль для усталостной прочности этих композитов. [c.435]

Усталостная прочность волокнистых композитов — это свойство композиции, зависящее от комбинации свойств компонентов и поверхности раздела между ними. В результате этого композиционные материалы могут быть сконструированы для работы в условиях циклических нагрузок, во-первых, за счет выбора волокон и матрицы, имеющих подходящие свойства, и, во-вторых, за счет конструирования и контроля металлургической структуры поверхностей раздела. Последние данные указывают на то, что усталостную прочность современных бороалюминиевых композитов, например, можно существенно улучшить за счет контроля микроструктур поверхностей раздела. [c.437]

Практически все композиционные материалы являются термодинамически неравновесными системами. По образному выражению акад. И. В. Тананаева композиции относятся к живущим системам. Градиенты химических потенциалов, возникающие на поверхностях раздела между армирующей составляющей и матрицей, являются движущей силой процессов диффузии и химических реакций. Взаимная диффузия и химическое взаимодействие между компонентами происходят как на стадии получения композиций, так и при их эксплуатации. Некоторая степень химического взаимодействия является необходимым условием образования связи между компонентами, тогда как слишком активное взаимодействие чаще всего снижает механические свойства упрочните-лей и, как следствие, всей композиции в целом. [c.57]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...