Прочность композита с алюминиевой матрицей и углеродным волокном зависит от силы связи его компонентов. Если граница между ними становится менее прочной, то сам композит оказывается устойчивее к разрушению. Это объясняется тем, что из-за ослабления связей хуже распространяются трещины. Новые данные помогут прогнозировать свойства подобных композитов, а также расширить область их практического применения. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Metals.
В авиа-, машино- и судостроении вместо обычных металлов часто используются композиты, которые состоят из нескольких разных по физическим свойствам компонентов. Это может быть, например, сочетание металла и неметалла. Такие комбинации придают материалу новые свойства, отличные от тех, что были у составляющих его компонентов по отдельности: это может быть большая прочность, износостойкость, особенные электромагнитные свойства.
Существует множество типов композитных материалов, один из которых — волокнистые. Они состоят из матрицы, то есть основного материала, в который погружены тонкие нити второго компонента, необходимого для укрепления. Роль матрицы могут выполнять полимеры, металлы или керамика. В качестве «арматуры» обычно выступают углеродные, карбидокремниевые, борные или стеклянные волокна. В результате такого сочетания композит приобретает высокую прочность, жесткость и меньший вес, благодаря чему может использоваться в силовых конструкциях самолетов, ракет и других летательных аппаратов.
Ученые из Института физики твердого тела имени Ю. А. Осипьяна РАН (Черноголовка) исследовали, как изменяется прочность волокнистого композита при изменении свойств границы между его компонентами. В качестве матрицы авторы использовали сплав алюминия и олова, а армировкой служило углеродное волокно. Углеродные нити протягивали через расплав металлов, подвергнутый ультразвуковой обработке, в результате чего получили композитную проволоку. Свойства границы раздела в композите физики изменяли с помощью нагрева до температуры от 300 °С до 600 °С. После этого исследовали прочность и характер разрушения полученных образцов.
Оказалось, что по мере увеличения температуры поверхность углеродных волокон покрывалась мелкими кристаллами карбида алюминия. В результате этого прочность границы между компонентами становилась выше, а вот прочность композитной проволоки постепенно снижалась. Сильная связь между компонентами приводит к тому, что, когда в материале при нагрузке возникает трещина, она распространяется только в той плоскости, в которой изначально образовалась. В результате композит быстро разрушается. Напротив, «слабая» граница препятствует развитию трещины и служит для нее своего рода стопором, и ее распространение происходит по сложной траектории, что позволяет волокну в композите в полной мере реализовать свой потенциал прочности.
«Наше исследование демонстрирует влияние одного из самых важных параметров, определяющих механические свойства композита, — прочности границы. Благодаря интерпретации этих данных нам удалось сделать шаг к созданию математической модели прочности волокнистых композитов с металлической матрицей. Глубокое понимание механики разрушения таких структур подскажет нам, как организовать технологию производства композитов, чтобы в полной мере реализовать их потенциал. В будущем именно этим мы и планируем заняться», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Галышев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института физики твердого тела.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
