Роль поверхности раздела в композиционных материалах.

Быстро растущий в последнее время интерес к поверхностям раздела станет понятным, если проследить историю развития композитов с металлической матрицей. Ранние работы по композитным материалам были направлены на выявление принципов, определяющих их эксплутационные характеристики. Для этой цели были удобны простые модельные системы. При выборе модельных систем руководствовались в основном совместимостью упрочнителя и матрицы. Модельные системы состояли из матриц (например, серебра или меди), химически мало активных по отношению к упрочнителям (например, вольфраму или окиси алюминия). Хотя в этих работах и признавались, важная роль поверхностей раздела, модельные системы позволяли сравнительно легко получать тип поверхности, обеспечивающий необходимую передачу нагрузки от одного компонента композита к другому. В системах, представляющих большой практический интерес, матрицами служат обычные конструкционные материалы, такие, как алюминий, титан, железо, никель. Они обладают большими реакционной способностью и прочностью, чем матрицы модельных систем. Повышенная реакционная способность затрудняет управление состоянием поверхности раздела (под поверхностью раздела понимаются зона взаимодействия упрочнителя и матрицы, имеющая конечную толщину), а для передачи больших нагрузок требуется более высокая прочность этой поверхности. Таким образом, состояние поверхности раздела становилось все более важным фактором по мере того, как интересы исследователей перемещались от модельных систем к перспективным инженерным материалам.

Проблемы, связанные с состоянием поверхности раздела, свойственны не только композитам с металлической матрицей. Для улучшения состояния поверхности раздела в стеклопластиках стеклянные волокна подвергают аппретированию. Известно, что оптимальное аппретирование является нелегким компромиссом между рядом требований, таких, как защита отдельных нитей от механических повреждений, хорошая связь стекла с полимером, сохранение этой связи в условиях эксплуатации, особенно в присутствии влаги. Оптимизация состояния поверхности раздела в композитных материалах с металлической матрицей требует, по-видимому, аналогичных компромиссных решений. Требования к поверхности раздела в металлических композитных материалах не менее жестки, чем для стеклопластиков. Так, уже упоминалась химическая несовместимость многих сочетаний матрица-волокно вследствие как недостаточной, так и излишней реакционной способности (в первом случае имеются в виду системы, где механическая связь компонентов не достигается из-за отсутствия соответствующих физико-химических эффектов). Еще одно важное требование - стабильность поверхности раздела, оно становится решающим в условиях высокотемпературной эксплуатации, для которых, собственно, и предназначены композиты с металлической матрицей. Кроме того, металлические композитные материалы должны работать в разнообразных условиях нагружения, чем неметаллические, поскольку в металле возможны различные случаи внеосного нагружения, передаваемого матрицей в тех направлениях, где упрочняющей фазы мало или вовсе нет.

Первоначально при выборе матрицы и волокна для всех систем предполагали использовать те же основные принципы, что и для модельных систем. Справедливость правила смеси для композитов, как с непрерывными, так и с короткими волокнами была показана на системе медь-вольфрам. Медь и вольфрам, по существу, взаимно не растворимы и не взаимодействуют химически, соответственно они не образуют соединений. Таким же образом на модельной системе серебро - усы сапфира был убедительно продемонстрирован эффект упрочнения нитевидными кристаллами. Степень взаимодействия между серебром и усами сапфира даже меньше, чем между медью и вольфрамом, поскольку расплавленное серебро не смачивает сапфир. Для улучшения связи с расплавленным серебром на поверхность сапфира напыляют никель. Однако связь между никелем и сапфиром вероятно чисто механическая и на поверхности раздела никель-сапфир твердый раствор не образуется. Для взаимной смачиваемости матрицы и волокна необходимо, чтобы их взаимная растворимость и реакционная способность были малы или вообще отсутствовали. Это условие, как правило, реализуется для определенного типа композитных материалов, а именно, ориентированных эвтектик. Во многих эвтектиках предел растворимости несколько изменяется с температурой, что, вообще говоря, является причиной нестабильности, хотя в известной степени и компенсируется особым кристаллографическим соотношением фаз. В большинстве практически важных случаев это условие не выполняется. После конференции 1964г. "Американского общества металлов", посвященной волокнистым композитным материалам основные успехи были достигнуты в области управления состоянием поверхности раздела между упрочнителем и матрицей. Ни серебро, ни медь не являются перспективными конструкционными материалами. Что же касается реакций между практически важными матрицами и соответствующими упрчнителями, то они очень сложны и могут приводить к самым разнообразным типам поверхностей раздела.

Одно из первых систематических исследований типов поверхностей раздела было проведено Петрашенком и Уитоном. Они исследовали ряд систем медный сплав - вольфрам, ими были выделены три типа поверхностей раздела между легированной матрицей и упрочнителем. Они соответствуют: а) на периферии проволоки наблюдается рекристаллизация; б) на поверхности раздела образуется новая фаза; в) матрица и проволока взаимно растворяются.

Первые модели поверхности раздела были основаны на представлениях об отсутствии растворимости или химического взаимодействия на поверхности раздела. Согласно этим представлениям, поверхность раздела бесконечно тонка, а свойства не связаны с собственного поверхностью. Например, понятием "прочность поверхности раздела" часто характеризовали предельное напряжение в слое матрицы, непосредственно примыкающем к волокну. Далее было сделано предположение, что поверхность раздела прочнее матрицы и поэтому передача нагрузки от волокна к волокну определяется пластическим течением матрицы.

В системах Ni-C и Ti-B на границе волокно матрица появляется зона конечной толщины, отличающаяся по свойствам, как от матрицы, так и от волокна. Анализ системы Ni-C был начат Эбертом и др. Они использовали дифференциальные методы для оценки влияния диффузии в зоне раздела на механические свойства компонентов. Эта работа является одновременно и первым анализом немодельных систем, хотя она и была ограничена лишь системами с химическим континуумом, т.е. непрерывным изменением состава. В системах Ti-B наличие продукта реакции приводит к химическому дисконтинууму - прерывистому изменению состава, что усложняет задачу, поскольку следует рассматривать еще две поверхности раздела.

В докладе на симпозиуме "Американского института горных и металлургических инженеров", посвященном композитным материалам с металлической матрицей, Бэрт и Линч назвали совместимость волокна и матрицы проблемой, определяющей развитие технологии указанных композитов. Хотя авторы рассматривали как физико-химические, так и механические аспекты совместимости, отмечалось, что главные трудности связаны с разупрочнением при химическом взаимодействии. В качестве возможных путей решения проблемы были предложены следующие три направления работ: