Материал композит
Материал композит в материаловедении содержит больше нерешенных вопросов чем решенных.
Взаимодействие компонентов в композиционном материале
Один из вопросов: как управлять высокотемпературным межфазным взаимодействием компонентов в композиционном материале? Это, пожалуй, стержневой вопрос материаловедения жаропрочных композитов, (подробнее: Упрочнение материалов) и хотя подходы к нему намечены, до полного решения еще далеко. Вот суть проблемы.
Какой смысл вкладывается в понятие межфазного взаимодействия применительно к материалам композитам? Определение «межфазное», означает, что имеется в виду взаимодействие между фазами, то есть между волокнами и матрицей. В композите они находятся в тесном контакте и, следовательно, оказывают воздействие друг на друга.
Если вы гуляете по широкому лугу, у вас есть возможность бегать, прыгать, кувыркаться - короче, делать, что захочется. А если стоите на одной ноге в переполненном трамвае, то ни о каком беге и ни о каких прыжках речи быть не может.
Вы находитесь во взаимодействии с соседями, сами уже не вольны в своих движениях, а вынуждены соизмерять их с возможностями, которые предоставляет окружение. И не только толпа оказывает воздействие на вас, но и вы воздействуете на окружающих людей.
Механическое взаимодействие в материале композите
Взаимное воздействие матрицы и волокон в композите может проявляться различным образом. Например, чисто механически. Такое взаимодействие напоминает переполненный трамвай. Из-за того, что волокна и матрица в композите связаны между собой, они мешают друг другу деформироваться так, как делали бы это в свободном состоянии.
Им мешает различие в коэффициентах термического расширения Пуассона, (подробнее: Армированные композиты), модулях Юнга, (подробнее: Упрочняющие волокна), пределах текучести материала. В результате в них появляются внутренние напряжения.
Механическое взаимодействие в материале композите напоминает переполненный трамвай.
Термические напряжения в материале композите
Если материал композит работает при периодически изменяющихся температурах, в нем будут возникать знакопеременные термические напряжения. Для пластичных материалов это не очень опасно, такие напряжения серьезного вреда не принесут, так как пластическая деформация не позволяет им вырасти до угрожающих величин.
А вот если волокна и матрица хрупкие, то под действием термических напряжений в композите вполне могут появиться трещины, которые приведут к разрушению материала. Чтобы предотвратить такую опасность, следует выбирать матрицу и волокна с мало отличающимися коэффициентами термического расширения. Чем меньше разность этих коэффициентов, тем меньше термические напряжения.
Это один из способов управления механическим взаимодействием.
Физико-химическое взаимодействие в материале композите
Но кроме механического есть еще и физико-химическое взаимодействие в материале композите, проявляющееся в образовании новых соединений на границе раздела волокно - матрица и взаимном растворении компонентов. Это взаимодействие и необходимо, и опасно, впрочем, как многое в нашей жизни.
Необходимо потому, что благодаря ему образуется связь между матрицей и волокнами, композит становится композитом, а не просто смесью волокон и матрицы. А опасно потому, что из-за него композит может перестать быть композитом.
И вот почему. Когда создается армированный материал, каждому его компоненту отводится определенная роль. Если материал эксплуатируется при комнатной температуре, нет особых оснований опасаться, что его свойства вскоре могут измениться. Но если ему предстоит работать достаточно долго при высокой температуре, такая опасность становится реальной.
Чтобы быть самим собой, материалу композиту нужно состоять как минимум из двух различных материалов - матрицы и волокон. А при высокой температуре может произойти растворение одного компонента в другом, например, волокна могут раствориться в матрице, как сахар в чае. И вместо двух материалов получится один раствор.
Это - весьма серьезная угроза для жизни композита. И пусть даже растворение пройдет не полностью, а частично, все равно в подавляющем большинстве случаев - плохо. Потому что свойства композита изменяются и, как правило, не к лучшему. Правда, есть такие системы, которые состоят из компонентов, практически взаимно нерастворимых, не взаимодействующих между собой в физико-химическом смысле.
Например, медь, армированная вольфрамовой, (подробнее: Псевдосплав) или магний, армированный титановыми проволками. Их существованию высокие температуры не угрожают. Но большинство материалов композитов на металлической основе к таким системам не относится.
Скажем, никель весьма активно растворяет при температурах выше 1000- 1200 ºК и вольфрамовые, и борные, и углеродные, и карбидо-кремниевые волокна. Титан, алюминий, (подробнее: Черные и цветные металлы и их руды)и многие другие металлы тоже активно взаимодействуют с большинством волокон.
Следовательно, при высоких температурах такие композиты - нестабильны, по мере развития физико-химического взаимодействия их свойства будут изменяться. Часто такое взаимодействие сопровождается образованием хрупких и непрочных интерметаллических прослоек между матрицей и волокнами, композит становится хрупким и разупрочняется.
А это означает, что детали из него ненадежные. Полетели бы вы в самолете, сделанном из таких материалов? Наверное, воздержались бы.
Таким образом, в небольших дозах физико-химическое взаимодействие желательно и даже необходимо, чтобы обеспечить надежную связь между матрицей и волокнами. Но только в очень небольших, пока глубина взаимного растворения не превышает долей микрометра.
А в больших дозах представляет собой настоящее бедствие. Как змеиный яд, который при умелом применении лечит, а неумелом - убивает. Напрашивается вопрос - как же быть? Получается, что при высоких температурах нельзя использовать армированные композиты. Все равно взаимодействие сведет на нет все усилия. Создадим композит, а он через несколько часов работы превратится в нечто с неизвестными свойствами, в какую-то размазню.
А ведь именно при высоких температурах наиболее заманчиво использовать композиты. И все-таки не стоит быть пессимистами. Безвыходных ситуаций нет. Нужно подумать - и выход найдется. Главное - определить причину болезни, тогда можно искать эффективное лекарство. И строптивые материалы композиты будут укрощены. В каждом конкретном случае нужно искать свои, оптимальные методы укрощения.
Возьмем, к примеру, никель, армированный вольфрамовыми волокнами. Об этой системе известно, что никель почти не растворяется в вольфраме, зато сам активно растворяет его. Концентрация вольфрама в твердом растворе на основе никеля может доходить до 32 % . Это означает, что никель, упрочненный 30-32 % вольфрамовой проволоки, при температуре 1300-1400 ºК может превратиться в твердый раствор.
Спрашивается, как воспрепятствовать этому? Раздумья должны в конце концов привести к такому выводу. Никелю по вкусу вольфрам, он может его съесть много. Но не бесконечно много. Когда-то он должен насытиться, поскольку существует предел растворимости вольфрама в никеле (32 % ). А что будет потом, когда произойдет насыщение?
Да то же, что бывает с человеком, наевшимся досыта. Он просто не в состоянии больше проглотить ни одного кусочка, каким бы вкусным этот кусочек ни оказался. Так и никель, насытившись вольфрамом, утрачивает способность растворять его. Это обстоятельство и нужно использовать. Первая мысль, которая приходит в голову,- применить в качестве матрицы не чистый никель, а никель, предварительно насыщенный вольфрамом.
Тогда не придется опасаться, что вольфрамовые волокна растворятся в матрице. Увы, такое решение неприемлемо по ряду причин. Обычно стремятся сделать жаропрочный композит легким, а никель, насыщенный вольфрамом, имеет очень большую плотность. К тому же он обладает низкой жаростойкостью. Кроме того, вольфрам весьма дефицитный металл, а для такого композита его потребуется очень много.
Ведь если наесться досыта картошки, то каши, скорее всего, не захочется. Идти по такому пути можно, но далеко не все элементы подходят для достижения поставленной цели. Одни, действительно, отбивают у никеля охоту «поедать» вольфрамовую проволоку, другие, наоборот, выполняют роль приправы, возбуждающей аппетит.
И трудность заключается в том, чтобы найти эти элементы, которые нужны, и отбросить ненужные. А как их искать? Перепробовать всю таблицу Менделеева? А где гарантия, что нужно вводить одну, а не несколько легирующих добавок, сочетание которых приведет к лучшему результату? Число экспериментов может стать столь большим, что выполнить их все практически будет невозможно.
Нет, чисто экспериментальный поиск в данном случае - далеко не лучший выход. Требуются указатели, позволяющие вести исследования в нужном направлении, ограничить число экспериментов, быть уверенным в том, что цель будет достигнута. Такие указатели должна дать теория.
Наука о взаимодействии металлов
Сегодня наука о взаимодействии металлов может в общих чертах предсказать, как будут влиять те или иные добавки к основному металлу на скорость растворения в нем волокон. Эти предсказания базируются на термодинамических расчетах, которые позволяют из большого числа вариантов легирования матрицы выбрать самые перспективные, а затем уже проверить их экспериментально.
Такой подход, конечно, более плодотворен, чем поиск вслепую, (подробнее: История создания французского фаянса). Оказывается, что скорость растворения вольфрамовых волокон в никеле существенно снижается, если последний легировать хромом, титаном, марганцем, ванадием и некоторыми другими элементами, причем можно подобрать такой комплекс легирующих добавок, который превратит нестабильный композит в достаточно стабильный.
К сожалению, прием, использованный для укрощения строптивых компонентов в композите никель - вольфрам, не всесильный. Даже для указанного композита он пригоден в одном интервале температур и не пригоден в другом. Как же быть с композитами, для которых легирование не дает желаемого эффекта? Как укротить в них физико-химическое взаимодействие компонентов?
Здесь выход один - наносить на волокна покрытия, которые не растворяются и не образуют соединений ни с волокнами, ни с матрицей. Эти покрытия призваны выполнять роль барьеров, препятствовать развитию диффузии, ответственной за нежелательные физико-химические процессы, происходящие на межфазных границах. Выбор покрытий - нелегкое дело, ибо они должны отвечать многим требованиям:
- покрытия не должны снижать прочность композита,
- не должны делать его хрупким.
А то получается: найдешь хорошее противодиффузионное покрытие, а оно оказывается непрочным или хрупким и передает недостатки материалу композиту. Так что работать есть над чем. Задача, конечно, трудная, но большую радость можно познать лишь в большом труде.
Это следует помнить тем, кто скисает от первых неудач, и тем, кто живет по принципу: «зачем грызть гранит науки, когда за те же деньги можно толочь воду в ступе».