Как создают композиты

Сегодня наука многое знает о строении материалов и их свойствах, знает «привычки» и «вкусы» различных материалов, и это позволяет улучшать известные и создавать новые материалы не вслепую, не наудачу, а целенаправленно. Наглядно это можно продемонстрировать на том, как создают композиты.

Плавка метала для создания композита
Плавка метала для создания композита

Материаловедение

Материаловедение изучает общие закономерности создания материалов, устанавливает связи между строением, составом и свойствами материалов. Используя эти закономерности и связи, разработчики новых материалов намечают области поиска и движутся к своей цели осознанно, не блуждая в потемках, как Палисси, создавая французский фарфор, (подробнее: История создания французского фарфора). Пути, ведущие к цели, сегодня уже достаточно хорошо освещены, на некоторых из них установлены мощные прожекторы, на других повешены маленькие фонарики.

По ярко освещенным дорогам можно двигаться быстро, по слабо освещенным — медленнее, преодолевая бугры и пробираясь сквозь заросли, но направление выдерживать можно достаточно четко. Вот по таким дорогам и движутся сегодня отряды материаловедов. А кто-то открывает новые пути, и им необходима интуиция Палисси.

Как же сегодня создаются композиты. Это неверное утверждение, что метод проб и ошибок уже не используется вообще. Используется. Но сравнительно мало.

Армированные композиты

Армированным композитам повезло больше, чем другим материалам. К тому времени, когда созрела мысль о необходимости их разработки, уже существовала теория анизотропных сред, которая позволяла предсказывать заранее свойства композитов по известным свойствам компонентов.

Если древние металлурги, добавляя в расплавленное железо вещество, не знали, как оно повлияет на свойства стали, (подробнее: Тайна булата) то создатели армированных композитов четко знают, что они должны получить, вводя определенный вид волокон в определенную матрицу. И могут предсказать свойства будущего материала не только качественно, но и количественно. Потому что они опираются на прочный теоретический фундамент.

Теория и практика

Это не означает, что на практике всегда получается то, что предсказывает теория. К сожалению, полное согласие теории с практикой наблюдается далеко не всегда.

Теория, как правило, строится для каких-то определенных моделей, которые отражают главные особенности реальных композитов. Главные, но не все. Все она просто не может учесть, потому что их очень много, и попытка учесть все приводит к такому усложнению, что пользоваться такой теорией просто невозможно. Поэтому каждая теория справедлива в тех рамках, которые оговорены при ее построении. А реальные материалы об этих рамках ничего не знают. И если их поведение в эти рамки не укладывается, то нужно винить не теорию, а тех, кто ее применяет там, где применять нельзя.

Но для большей части армированных композитов теория армированных сред позволяет достаточно надежно оценивать свойства, которые могут быть достигнуты, то есть дает ориентир, к которому следует стремиться. Эта теория в общем виде довольно сложна, и чтобы ее понять, нужно знать специальные разделы высшей математики. Мы не будем их касаться, а чтобы все-таки получить представление о том, как можно заранее прогнозировать свойства композитов, рассмотрим простейший пример, для понимания которого вполне достаточно знаний среднего пятиклассника.

Пример создания композита

Требуется создать композит на основе алюминия с прочностью 1000 МПа и модулем Юнга 200 ГПа. Достаточно иметь эту прочность только в одном направлении, в остальных допустима прочность на уровне алюминия. Плотность композита не должна превышать плотности алюминиевых сплавов.

Алюминий как основа создания композита
Алюминий как основа создания композита

Если задачу перефразировать, получится следующее: требуется создать материал на основе алюминия, обладающий прочностью и жесткостью хорошей легированной стали и сохраняющий при этом весовые характеристики алюминия.

Традиционными металлургическими методами (легированием, термической обработкой, пластической деформацией) это сделать невозможно. Прочность чистого алюминия составляет 120—150 МПа, алюминиевых сплавов — до 500—700 МПа. Большего добиться не удается. Модуль Юнга алюминия и его сплавов примерно 70 ГПа, причем легирование, термообработка и пластическая деформация практически не влияют на его величину. А нам нужно увеличить его почти втрое.

Алюминий относится к числу легких металлов (плотность 2700 кг/м3), и если осуществлять легирование более тяжелыми элементами, чем сам алюминий, это приведет к увеличению плотности и не позволит выполнить поставленные требования.

Рассуждения материаловеда-композитчика

Проследим за ходом рассуждений материаловеда-композитчика. Для него ясно, что задача должна решаться путем создания композиционного материала. Поскольку требуется обеспечить прочность только в одном направлении, нужно создавать армированный материал, в котором армирующие волокна уложены параллельно друг другу. Вдоль их оси и будет обеспечена максимальная прочность и жесткость. Вопрос в том, какие волокна использовать и сколько их ввести?

Ясно, что в качестве арматуры нужны волокна с максимальными значениями прочности и жесткости. Но только этими показателями ограничиваться нельзя. Например, вольфрамовые волокна, хотя и обладают высокими механическими характеристиками, имеют большую плотность, и, используя их в качестве арматуры, мы заведомо не сможем выполнить требование, касающееся плотности разрабатываемого композита. По той же причине следует отказаться от применения стальных проволок и волокон карбида кремния.

Нитевидные кристаллы, (подробнее: Металлические усы) могли бы помочь решить задачу, но, как мы уже знаем, их использование связано с большими технологическими трудностями и крупными материальными затратами.

Пожалуй, наиболее целесообразно попробовать волокна бора и углерода. Их применение не увеличит плотность композита по сравнению с алюминием (углеродные волокна даже уменьшат ее), а модуль упругости и прочность должны повыситься.

Необходимо подсчитаем, сколько волокон нужно ввести, чтобы обеспечить заданные механические характеристики. Сколько — это значит не сколько штук, а сколько процентов по объему должны занимать в композите волокна.

Правило смесей

Расчет здесь простой. Нужно применить правило аддитивности, т.е. воспользоваться правилом смесей.

Раньше в четвертом-пятом классах решали задачи такого типа: килограмм карамелек стоит 1 рубль, а килограмм ирисок — 3 рубля. Сколько будет стоить килограмм смеси, составленной из двух килограммов карамелек и четырех килограммов ирисок? Казалось бы, кому нужно знать стоимость килограмма этой злосчастной смеси, ведь ни одного нормального покупателя такой вопрос совершенно не волнует.

Но оказалось, задачи о смесях на самом деле — очень нужная штука. Их нередко используют в разных технических расчетах и в частности при оценочных расчетах некоторых свойств композитов. Например, прочность и жесткость композиционного материала в направлении армирования можно рассчитать точно так же, как стоимость одного килограмма смеси.

Композит в первом приближении можно рассматривать как смесь матрицы и волокон. (Это можно сделать далеко не всегда, но в данном случае для оценочных расчетов — можно.)

Цена одного килограмма смеси определяется по простой формуле: Ц = Ц1 N1 + Ц2 N2. В этой формуле Ц1 Ц2 и Ц — цены карамелек, ирисок и смеси соответственно; N1 — доля карамелек в смеси, N2 — доля ирисок в смеси. При этом в сумме N1 + N2 = 1.

В смеси, состоящей из 2кг карамелек и 4кг ирисок, доля карамелек N1 = 2/(2+4) = 1/3, а доля ирисок N2 = 4/(2+4) = 2/3. В соответствии с приведенной формулой цена 1кг смеси из карамелек и ирисок составит:

Ц = 1(руб/кг) 1/3 + 3(руб/кг) 2/3 = 2 1/3 (руб/кг).

Модуль Юнга для композита

По аналогичной формуле можно рассчитать модуль Юнга для композита в направлении укладки волокон: Е = EM VM +EB VB. Здесь EM, EB, Е — модули Юнга матрицы, (подробнее: Армированные композиты), волокон и композита соответственно; VM, VB — объемные доли матрицы и волокон в композите.

Бронепластина как яркий пример применения композита
Бронепластина как яркий пример применения композита

С учетом того, что VM + VB = 1, это выражение можно записать в виде:

Е = EM (1-VB) + EB VB.

Последней формулой воспользуемся для решения поставленной задачи. Нам нужно получить композит с модулем Юнга Е = 200 ГПа. Модуль Юнга алюминиевой матрицы EM = 70 ГПа, средний модуль Юнга борных волокон EB = 400 ГПа, а углеродных волокон EB = 350 ГПа. Следовательно, для композита, армированного борными волокнами, формула примет вид: 200=70 (1-VB) + 400 VB.

Решая это уравнение относительно VB, получим:

VB = 0,39 = 39 % (по объему). Для композита алюминий — углеродные волокна — 200 = 70(1-VB) + 350VB, откуда VB = 0,46 = 46 % (по объему). Таким образом, чтобы выполнить требование по жесткости, необходимо ввести в алюминий либо 39 % (по объему) борных волокон, либо 46 % (по объему) углеродных волокон.

Прочность композита тоже может быть рассчитана по правилу смесей. Если волокна менее пластичны, чем матрица (а у нас как раз такой случай), то прочность армированного материала в направлении укладки волокон приближенно оценивается формулой:

B)к = (ϬB)в VB + ϬМ (1-VB)

Здесь (ϬB)к и (ϬB)в — пределы прочности композита и волокон; ϬМ — величина, близкая к пределу текучести матрицы; VB— объемная доля волокон.

Нам нужно получить (ϬB)к = 1000 МПа. Борные волокна в среднем имеют (ϬB)в = 3250 МПа, а углеродные — (ϬB)в = 2500 МПа, предел текучести алюминия примерно 30 МПа. Таким образом, для алюминия, армированного борными волокнами, получаем

1000 = 3250 VB + 30(1 — VB),

а для углеалюминия —

1000 = 2500 VB + 30(1 — VB).

Решение этих уравнений дает для бороалюминия VB = 0,3 = 30 % (по объему), а для углеалюминия VB = 0,39 = 39 % (по объему). Из полученных результатов видно, что задача решается либо созданием бороалюминия, содержащего 39 % (по объему), либо — углеалюминия, армированного 46% (по объему) углеродных волокон. Композиты такого состава будут иметь требуемую жесткость, прочность их будет выше заданной (это не очень выгодно с экономической точки зрения, но делать материалы менее прочными мы не имеем права, поскольку при уменьшении прочности за счет уменьшения концентрации волокон снижается и модуль Юнга).

Плотность полученных композитов также можно рассчитать по правилу смесей:

ɣ = ɣB VB + ɣМ (1 — ɣB).

Здесь ɣ, ɣB, ɣМ — плотности композита, волокон и матрицы; VB — объемная доля волокон. Взяв значения плотностей борных и углеродных волокон (2630 кг/м3 и 1700 кг/м3 ) и зная, что ɣМ = 2700 кг/м3, легко подсчитать, что плотность композита алюминий — 39 % (по объему) борных волокон составляет 2670 кг/м3, а композита алюминий — 46 % (по объему) углеродных волокон — 2240 кг/м3. Следовательно, требование по плотности выполнено тоже.

Дальше следует решить, на каком из двух выбранных композитов остановиться. Это определяется целым комплексом условий — технологических, конструкционных, экономических. В одних случаях более предпочтительным может оказаться бороалюминий, в других — углеалюминий. Поскольку дополнительная информация не оговаривается, на этом можно остановиться, считая задачу, о том как создаются композиты, выполненной.

 

Получать интересное на почту

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *