www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Разработка композиционных материалов, удовлетворяющих высоким требованиям современной техники, связана с решением целого ряда технологических и физико-химических проблем.

Применяемые в настоящее время методы формирования композиционных материалов можно разделить на две категории. К первой относятся все методы, в которых процесс получения материала начинается с раздельного приготовления элементов композиции — матрицы и наполнителя (волокна, пластины, сетки и т. п.). Эти методы являются многооперационными за приготовлением исходных компонентов следуют стадии обработки их поверхности, совместной укладки и, наконец, соединения в компактную заготовку. Сюда относятся методы прокатки, прессования, волочения, литья в формы с наполнителем и различные их модификации.

При использовании этой группы методов, помимо трудностей, связанных с получением требуемых нитевидных кристаллов (волокон) и оперированием с ними, необходимо решать сложные задачи обеспечения прочной связи волокон и матрицы, их химической совместимости. Как показывает практика, механические и химические повреждения волокон в процессе формирования композиции являются важнейшими факторами, влияющими на свойства композиционных материалов. Химическое повреждение обусловлено физико-химическими процессами на межфазных границах, приводящими к растворению волокон или образованию нежелательных промежуточных соединений. Последнее существенно ограничивает возможности в выборе элементов композиции и вынуждает искать выход в применении специальных покрытий на волокнах, что еще более усложняет весь процесс получения материала.

Вторая группа методов связана с использованием различного рода фазовых превращений в веществах: с переходом из одного агрегатного состояния в другое (например, кристаллизация жидкости), с превращением в твердом состоянии (эвтектоидный распад) и т. п. Если в результате превращения в системе образуются две или более фаз, то, управляя такими параметрами процесса, как температура и скорость превращения, направление теплоотвода, можно создать гетерогенную структуру с пространственно ориентированным упорядоченным расположением фаз, т. е. композиционную структуру. При этом полностью исключаются стадии приготовления волокон и введения их в матрицу, автоматически решаются такие проблемы, как химическая совместимость разнородных веществ, прочность межфазных связей.

Кроме того, метод контролируемых фазовых превращений открывает возможность создания требуемой структуры и управления ею в готовых изделиях путем соответствующей термообработки.

Одним из наиболее изученных и перспективных способов создания композиций с требуемой структурой и свойствами является направленная кристаллизация эвтектических сплавов. Этот способ сравнительно прост, поскольку включает по существу одну достаточно хорошо освоенную в технике выращивания монокристаллов из расплава технологическую операцию — кристаллизацию жидкости в контролируемых условиях теплоотвода. В то же время этот способ весьма эффективен в смысле возможностей управления такими параметрами структуры, как морфология фаз, их дисперсность, взаимная ориентация. Кроме того, оказалось, что одна из фаз эвтектики, кристаллизующаяся в форме стержней или пластин, обладает структурным совершенством и свойствами нитевидных кристаллов. Таким образом, в эвтектических композициях реализуется идеальная для композиционных материалов ситуация — высокопрочные нитевидные кристаллы в подходящей по физико-химическим свойствам матрице.

Разумеется, метод направленной кристаллизации не лишен недостатков. Принципиальными из них являются ограниченность числа систем с требуемой фазовой диаграммой и ограниченные возможности варьирования состава фаз и их объемного соотношения в композиции. Однако исследования последних лет показывают, что метод направленной кристаллизации достаточно эффективен применительно не только к сплавам строго эвтектического состава, но и к сплавам, состав которых существенно отличен от эвтектического, что позволяет в широких пределах менять объемное соотношение фаз в композиции. Кроме того, эвтектические системы — не единственный объект, структурой которого можно управлять, используя метод направленной кристаллизации. Аналогичный эффект может быть достигнут в монотек тических сплавах. Композиционная структура может быть получена также в результате превращений, происходящих в твердом состоянии в условиях резкого градиента температур. К таким превращениям относятся эв тектоидный и прерывистый распады.

Приведенные примеры, по-видимому, далеко не исчерпывают виды превращений, которые могут быть использованы для создания композиционной структуры в многофазных материалах. Но даже этот неполный перечень показывает, что выбор подходящих для этой цели систем достаточно широк.

Интерес к описываемому методу вызван прежде всего замечательными свойствами эвтектических композиций. Так, оказалось, что термическая устойчивость микроструктуры, сформировавшейся при однонаправленной кристаллизации расплава эвтектического состава, исключительно высока — длительный отжиг при температурах вплоть до 0,98 ТЕ не приводит к заметной сфероиди зации или разрушению фазовых составляющих (пластин, волокон). Это также следует отнести к достоинствам метода, который обеспечивает установление благоприятных с энергетической точки зрения кристаллографических связей на межфазных границах, что в свою очередь способствует сохранению структурно чувствительных свойств композиций при повышенных температурах, в частности их жаропрочности. Действительно, на примере псевдобинарной эвтектической композиции Ni3Al—Ni3Nb было показано, что ее 100-ч прочность при 1100°С достигает 17 кгс/мм2, тогда как один из лучших промышленных сплавов на никелевой основе ЖС6К при этих условиях имеет прочность 5—6 кгс/мм2. Высокими прочностными и криповыми характеристиками обладают эвтектические композиции на основе никеля со второй фазой NbC, TaC, VC, NiBe, Ni3Nb, композиции NiAl — Cr, Ni3Al — Ni7Zr2 и др.

Эвтектические композиции из полупроводниковых и ферромагнитных веществ обладают исключительно интересными физическими свойствами — магнитными, гальваномагнитными, термоэлектрическими, оптическими, эмиссионными, что гущественно расширяет области их применения. Так, фирма «Сименс» (ФРГ) уже производит детекторы инфракрасного излучения и магнито резистивные элементы из эвтектической композиции индий — сурьма — никель.

Дальнейшие успехи в этом направлении неразрывно связаны с углублением знаний о механизме и кинетике фазовых превращений, о закономерностях структурооб разования в гетерофазных системах.

Назад, на страницу описания