Образование композиционных материалов и взаимодействие фаз

Структура, взаимодействие компонентов и механические свойства композиционных материалов в значительной мере зависят от методов и режимов их изготовления [54]. Так, например, ири изготовлении композиции по режимам, характеризующимся отклонением параметров процесса от оптимальных в сторону снижения температуры, давления и сокращения времени выдержки, реализуется лишь начальная стадия физико-химического взаимодействия компонентов механизм разрушения полученного композиционного материала определяется в этом случае прочностью связи матрицы с волокном. Материал ири нагружении разрушается за счет накопления трещин на границе матрица—волокно и последующего раздельного разрыва частично связанного пучка армирующих волокон и матрицы. Разрыв какого-либо волокна приводит обычно к отслоению его от матрицы, вследствие чего в процессе дальнейших испытаний данное волокно не несет нагрузки. При таком механизме матрица разрушается с образованием воронок вокруг индивидуальных волокон или их комплексов зона разрушения матрицы обычно локализована в плоскости, перпендикулярной к направлению нагрузки волокна выдернуты из матрицы на значительную длину, область разрывов отдельных волокон распределена вдоль оси образца. Такой материал характеризуется высокой ударной вязкостью, сравнительно невысокой прочностью ири растяжении, низкими значениями циклической прочности, прочности при сдвиге, сжатии, изгибе, кручении и т. д. [c.10]

Потеря прочности волокон и композиционного материала по сравнению с расчетными значениями иногда достигает 30% например, по данным [120] волокна карбида кремния, экстрагированные из титанового композиционного материала системы титан— карбид кремния, имеют предел прочности 210 кгс/мм вместо предела 320 кгс/мм , измеренного до изготовления композиции. Наиболее существенными причинами указанного снижения свойств является химическое взаимодействие на границах раздела матрица—волокно и волокно—подложка. Причем первое имеет превалирующее значение, т. е. наиболее существенное снижение свойств наблюдается в результате растворения, образования новых фаз, охрупчивания и прочих процессов, протекающих на границе раздела матрицы с волокном. [c.29]

Начальная стадия процесса взаимодействия борных волокон с алюминиевой матрицей исследована в работе [68]. Установлено, что этот процесс протекает в две стадии. Вначале происходят разрушение и коагуляция пленки окиси алюминия, связанная, по-видимому, с диффузией кислорода в дальнейшем наблюдается химическое взаимодействие с образованием включений диборида алюминия, приводящее к резкому снижению как прочности композиционного материала, так и прочности связи волокон с матрицей. [c.82]

Кинетическая совместимость — способность компонентов композиционных материалов сохранять метастабильное равновесие в определенных температурно-временных интервалах [3]. Проблема кинетической совместимости имеет два аспекта 1) физико-химический — обеспечение прочной связи между компонентами и ограничение на поверхностях раздела процессов растворения, гетеро- и реакционной диффузии, которые ведут к образованию хрупких продуктов взаимодействия и деградации прочности армирующих фаз и композиционного материала в целом 2) термомеханический—достижение благоприятного распределения внутренних напряжений термического и механического происхождения и снижение их уровня обеспечение рационального соотношения между деформационным упрочнением матрицы и ее способностью к релаксации напряжений, предупреждающей перегрузку и преждевременное разрушение упрочняющих фаз [4]. [c.493]

VI. Выбор оптимальных длительностей контактирования компонентов при том или ином процессе получения композиционных материалов или в условиях их службы, т. е. с учетом температурно-силовых факторов. Длительность контактирования, с одной стороны, должна быть достаточной для возникновения прочных адгезионных связей между компонентами с другой стороны, не приводить к интенсивному химическому взаимодействию, образованию хрупких промежуточных фаз и снижению прочности композиционного материала. [c.494]

В качестве полуфабриката для диффузионной сварки можно использовать ленты из борного волокна, покрытые нитридом бора и пропитанные расплавленным алюминием. Для получения прочности композита, соответствующей правилу аддитивности, необходима надежная механическая связь на границе раздела. Выполнение этого условия обеспечивает в эксплуатации материала передачу нагрузки от матрицы к волокну. Вместе с тем компоненты композиционного материала, как правило, взаимодействуют между собой. Диффузионные процессы уменьшают прочность упрочняющей фазы и в большинстве случаев приводят к образованию интерметаллидной прослойки в контакте волокна с матрицей. При достижении ширины интерметаллидной зоны 0,5—2,0 мкм композит перестает существовать. Под нагрузкой матрица не передает напряжение на волокно, идет разрушение интерметаллидов, образование и развитие трещин в волокне. Образование твердых растворов еще не приводит к коренному ухудшению свойств, С целью повышения жаропрочности и срока службы композиционных материалов на волокна наносят барьерные диффузионные покрытия. Покрытия могут исключать или значительно замедлять процессы взаимодействия материалов волокна и матрицы. Метод нанесения покрытия должен обеспечивать хорошую связь с волок-но 1, равномерную толщину покрытия и исключать пористость последнего. Другим способом подавления образования нежелательных фаз на поверхности раздела является использование в качестве матрицы сплавов, имеющих пониженную реакционную способность с упрочняющим материалом. С термодинамических позиций необходимо добиваться минимальной разности химических потенциалов компонентов композита. [c.214]

Только порошковая металлургия позволяет с наибольшей эффективностью, используя различные технологические варианты, создавать композиционные электротехнические материалы заданного состава и структуры. Аддитивное объединение свойств отдельных компонентов, входящих в материал, проявляется в большей степени при отсутствии их химического взаимодействия или образовании растворов друг с другом. В целом порошковые контактные композиционные материалы по сравнению с литыми на основе меди или серебра более надежны в эксплуатации благодаря их высокой износо- и эрозионной стойкости. [c.189]

Волокна бора и карбида кремния применяют в качестве армирующих компонентов композиционных материалов с алюминиевой, магниевой и титановой матрицами. В случае нагрева выше 500° С волокон бора с алюминиевой матрицей (при изготовлении композиции) имеет место химическое взаимодействие с образованием фазы AlBj. Активное взаимодействие приводит к снижению свойств волокна и к падению прочности композиционного материала в целом. Это вызывает необходимость нанесения на борные волокна тонкого слоя покрытия (3—5 мкм). Такими покрытиями, защищающими волокна от взаимодействия с матрицей, являются карбиды кремния и бора, нитриды титана, бора и кремния и др. [c.36]

Исследование кинетики взаимодействия волокон карбида кремния с титановым сплавом системы Ti—V—А1 выполнено В. И. Ба-кариновой и В. И. Антиповым [3]. На рис. 25 приведена зависимость толщины диффузионной зоны взаимодействия для этого композиционного материала от продолжительности отжига в интервале температур 800—1200° С. Образование заметной зоны взаимодействия при температурах 800—840° С имеет место только после выдержки 30 ч, в то время как при 1100° С близкая по толщине зона образуется уже после отжига в течение 1 ч. Наибольшее уве личение темпа роста зоны отмечено при температуре выше 900° С Исходя из полученных экспериментальных данных и параболиче ской зависимости изменения толщины зоны во времени, был рас считан коэффициент диффузии при различных температурах, аза тем определена энергия активации процесса. Кинетику роста зоны ориентировочно можно оценить по уравнению [c.70]

Принцип саморегулируемого вакуума был применен для изготовления композиционного материала магний — бор методом пропитки [171 ]. В основе этого принципа лежит взаимодействие расплавленного магния с воздухом в закрытом контейнере и образование при этом разрежения, способствующего заполнению контейнера расплавленным металлом. При погружении открытого конца герметичного контейнера ниже уровня расплавленного металла магний взаимодействует с кислородом, азотом и углекислым газом, входящими в состав воздуха. Поскольку продукты реакции являются твердыми веществами имеют пренебрежимо малое давление паров при температуре реакции, в контейнере генерируется вакум. Ракция идет до тех пор, пока весь воздух в контейнере не будет связан, и, таким образом, в контейнере создается почти абсолютный вакуум. Весьма важным при этом является то, что, продолжая взаимодействовать с воздухом, остающимся в порах, образование которых возможно в начальной стадии заполнения формы, магний полностью заполняет форму. Магний является почти единственным из металлов, который можно заливать по методу самогенерируемого вакуума в формы слождой конфигурации, предназначенные для отливки деталей с очень тонкими стенками. Одним из преимуществ метода самогенерируемого вакуума является его сравнительная простота, а также 100 [c.100]

После определения конструкции композита - выбора компонентов и распределения их функций, приступают к решению наиболее сложной задачи изготовлению композиционного материала, вк.тючающему выбор геометрии армирования (например, различного рода плетения) и наиболее эффективного технологического метода соединения компонентов композита друг с другом (например, золь-гель методы, методы порошковой металлургии, методы осаждения-напыления и другие). Однако основная сложность заключается не в сборке отдельных компонентов композита, а в образовании между ними прочного и специфического соединения. При этом большую роль играет предварительный анализ фаничных процессов, происходящих в системе. Межфазное взаимодействие оказывает влияние на прочность связи компонентов, возможность химических реакций на границе и образование новых фаз, формируя такие характеристики композита, как термостойкость, устойчивость к действию агрессивных сред, гфочность и дру гие важные экс-штуатационные характеристики нового материала. Осуществление кон-тpOJ я не только за составом, но и за структурой требует развития теории, которая позволила бы предсказать, как будет влиять то или иное изменение на свойства композита. Когда стало расти число возможных комбинаций матрицы и армирующих волокон, а простое слоистое армирование начало уст пать место армированию сложными переплетениями, исследователи стали искать пути, позволяющие избежать чисто эмпирического подхода. Задача состоит в том, чтобы по характеристикам волокна (частиц и др.), матрицы и по их компоновке заранее предсказать поведение композита. [c.12]

Механические свойства при растяжении в композициях с реакционноспособными матрицами из медных сплавов оказались ниже, чем в композициях с нереакционноспособной нелегированной медной матрицей. Падение предела прочности при комнатной температуре изменяется в пределах от 7 до 62%. Наибольшее снижение свойств возникает в результате взаимодействия, связанного с процессами диффузии и рекристаллизации. Взаимодействие второго и третьего типов (выделение второй фазы и образование твердого раствора) вызывает относительно небольшое снижение свойств композиционного материала. Наиболее сильный вред оказывают легирующие элементы, имеющие малую растворимость в вольфраме при температурах пропитки. Однако все добавки приводят к снижению механических свойств. Потеря свойств композиционного материала происходит при получении образцов вследствие взаимодействия, которое имеет место в течение 1 ч при 1200° С, когда пучки волокон подвергаются пропитке расплавленной матрицей. [c.247]

Дальнейшее усовершенствование процесса электроосаждения никеля и подбор оптимального состава электролита позволило получить никелевые покрытия, не содержащие фосфора. Методом изостатического прессования этих волокон были получены образцы композиционного материала с плотностью, составляющей 98% от теоретической. Результаты испытаний композиций с 50об.% углеродных волокон приведены на рис. 43. Прочность композиционного материала оказалась несколько ниже расчетной, причем расхождение теоретических и экспериментальных данных увеличивается при возрастании температуры испытаний. Главной причиной недостаточно высоких прочностных характеристик полученного материала авторы считают разупрочнение углеродных волокон при формировании композиции, к этому следует добавить, что снижение механических свойств может быть также вследствие недостаточной прочности связи на границе матрицы и волокон. При исследовании взаимодействия никелевой матрицы с углеродным волокном при температуре 980° С (предполагаемой температуре использования материала) и жаростойкости композиции установлено, что последняя для композиционного материала определяется скоростью окисления углеродных волокон с образованием моноокиси углерода в результате массовой диффузии кислорода через слой матричного металла, а также вследствие окисления волокон по длине при выходе торцов волокон на поверхность исследуемого образца. Было показано, что при достаточно высоких температурах и длительных выдержках углеродные волокна полностью выгорают, оставляя открытые поры в матричном металле. [c.398]

Обилие работ по неупорядоченным средам обусловлено запросами техники и прежде всего приборостроения. Современная электроника и оптика требуют материалов со столь разнообразными характеристиками, что набор одних лишь чистых кристаллов становится явно недостаточным. К настоящему времени перечень известных природных и искусственно созданных веществ насчитывает около четырех миллионов наименований, к числу которых ежегодно добавляется около ста тысяч новых, что приводит к громадному количеству сочетаний известных веществ при образовании смесей с различной структурой и концентрацией компонентов. Поэтому наиболее перспективным представляется комплексное исследование свойств материалов теоретическими методами предсказываются физические свойства смеси или композиционного материала и при необходимости результаты корректируются минимальным по трудоемкости числом экспериментов. Смеси можно классифицировать по разным признакам по числу компонентов и их агрегатному состоянию, по характеру структуры, по физико-химическим процессам взаимодействия различных компонентов. Последний признак позволяет разделить различные смеси на механические и немеханические. Механическими будем называть такие смеси, в которых коэффииленты проводимости (теплопроводности, электропроводности, диффузии и др.) исходных компонентов не зависят [c.5]

Следует отметить, что в процессе прессования объемное содержание армирующих волокон в композиционном материале несколько увеличивается по сравнению с их содержанием в прут-ках-нолуфабрикатах вследствие выдавливания избыточного матричного металла через открытые торцы пресс-формы и, как правило, несколько возрастает прочность материала в том случае, когда процесс прессования проводят в оптимальных условиях, не приводящих к разупрочнению армирующих волокон. Если в процессе прессования температура становится выше, чем при пропитке, то взаимодействие углеродных волокон с матрицей интенсифицируется. Прочностные характеристики композиции могут в этом случае заметно ухудшаться из-за образования избыточного количества карбида алюминия. Обычно снижение прочности отмечается при содержании карбида алюминия в композиционном материале, превышающем 0,1% (по массе). На рис. 34 показана микроструктура углеалюминия, полученного в условиях. [c.384]

Результаты измерений теплопроводности, электросопротивления и соотношения Видемана — Франца — Лоренца металлокерамических материалов на основе железа приведены на рис. 2 и 3. Кривые температурной зависимости удельного электросопротивления р исследованных композиций, приведенные на рис. 2 а (кривые 3—8), во всем исследованном диапазоне температур имеют свойственный для металлов монотонно возрастающий характер. На том же рисунке (кривая 1) для сравнения приведены значения р = / (Г) компактного железа (чистота 99,95%), взятые из [7 , и литого армко-железа, полученные экспериментально. График ноказЕ) -вает, что количественно электросопротивление рассматриваемых композиционных материалов значительно превышает значения электросопротивления компактного железа. Высокое удельное электросопротивление композиций объясняется не только наличием пористости, уменьшающей ек тивное поперечное сечение образцов, хотя ее влияние и является доминирующим, но и характером структуры и значительными контактными сопротивлениями на границах раздела фаз, что подтверждается повышенными значениями сопротивления исследованных пористых образцов, пересчитанными по [8] на беспористое состояние (кривые 9, 10). Кривая 10, в частности, превышает кривую 2 на 9—11%, что, очевидно, вызвано наличием переходных контактных сопротивлений на границе зерен. Немаловажную роль играет также состав композиций. Так, введение в состав порошка железа 3% графита при одинаковой пористости композиций приводит к повышению р материала на 7—8% (кривые 9—10), Это вызвано уменьшением площади металлического контакта на единицу площади поперечного сечения образца и повышением сопротивления самой металлической матрицы [9] вследствие взаимодействия железа с графитом и образования перлитной структуры. Легирование железографита 4% сернистого цинка несколько снижает сопротивление композиции, хотя сам сульфид цинка имеет сравнительно высокое значение р [10]. Кажущееся противоречие, по-видимому, объясняется повышением количества и качества металлических контактов в композиции под влиянием образующейся при спекании жидкой фазы сульфидной эвтектики, активизирующей процесс спекания железного порошка. [c.112]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...