Российские исследователи выяснили, как влияет связь между алюминиевой матрицей и углеродным волокном на прочность углеалюминиевых композитов. Полученные данные помогут создавать прочные композиты для летательных аппаратов. Исследование опубликовано в журнале Metals.
Углеродное волокно (углеволокно) — это материал, образованный преимущественно атомами углерода. Благодаря своим уникальным свойствам он перспективен для разработки авиационных и космических материалов. Углеволокно характеризуется химической устойчивостью, прочностью и легкостью. Однако у этого материала есть и свои существенные минусы, в частности, он склонен к образованию трещин. Именно поэтому популярность набирают различные сплавы, повышающие характеристики углеволокна.
«Кроме волокна и матрицы вклад в механические свойства композита вносит также граница их раздела. Если прочность связи между ними будет слишком высокой, распространению трещины в таком материале ничто не помешает, в результате он разрушится преждевременно. В своей работе мы предложили новый подход к ослаблению границы раздела за счет подбора материала матрицы. По сравнению с другими используемыми для этого методами наш способ оказался намного эффективнее, проще и дешевле. Надеюсь, это позволит нам в кратчайшие сроки реализовать его в готовом изделии», — говорит Сергей Галышев, руководитель проекта, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН.
Исследователи задались вопросом, какие вещества при добавлении в алюминий помогут сделать связь между матрицей и волокном более прочной. Для своих экспериментов ученые использовали олово — оно хорошо смешивается с алюминием, при этом не образуя с ним новых соединений даже при чрезвычайно высокой температуре. Авторы измеряли механические характеристики материалов с разным содержанием олова в матрице. Максимальная концентрация составляла 50 атомных процентов.
Оказалось, что свойства композита практически линейно изменялись с увеличением количества олова. Прочность матрицы и границы раздела уменьшались, при этом прочность материала возрастала, опережая наиболее прочные алюминиевые сплавы. Эта взаимосвязь достигается за счет равномерного распределения нагрузки на волокно. Слабая граница как бы предотвращает распространение трещин — доходя до места соприкосновения, она двигается по границе, а не по начальной траектории. Чтобы изменить движение, нужна энергия. Однако это не выгодно для системы, поэтому дальнейшего распространения трещины не происходит. В будущем группа ученых планирует продолжить свои эксперименты, изменяя элементы и повышая прочность углеалюминиевого композита.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
