Новости

10 ноября, 2022 11:40

Слабая связь между матрицей и волокном увеличила прочность композитного материала

Российские ученые показали, что прочность композита с алюминиевой матрицей и углеродным волокном зависит от силы связи его компонентов. Оказалось, что, когда прочность границы между ними снижается, устойчивость композита к разрушению, наоборот, увеличивается за счет предотвращения распространения трещин. Математическая интерпретация этого явления, предложенная в работе, позволит прогнозировать свойства подобных композитов, а также расширить область их практического применения. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Metals.
Микрофотографии поверхности углеродного волокна, извлеченного из композита: (а) в исходном состоянии, (b) после термообработки при 600°С. Источник: Galyshev and Atanov / Metals, 2022

В авиа-, машино- и судостроении вместо обычных металлов часто используются композиты, которые состоят из нескольких разных по физическим свойствам компонентов, например, это может быть 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. Так, 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. Так, 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 имени Ю. А. Осипьяна РАН.


27 января, 2023
Предложен новый наполнитель для имплантатов с повышенной биоактивностью
Международный коллектив ученых с участием исследователей НИТУ МИСИС предложил альтернативный ...
23 января, 2023
Машинное обучение помогло подобрать условия синтеза высокоэнтропийного карбида
Высокоэнтропийные карбиды — уникальные материалы на основе углерода и 4–6 переходных металлов IV и V...