Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Впервые для нанесения оксидных покрытий на углеродное волокно был применен метод комбинирующий золь-гель процесс и электролитического осаждение. Предложенный метод позволяет наносить однородные покрытия на все филаменты углеродного жгута. Характерной особенностью структуры всех полученных покрытий является то, что они сформированы из связанных между собой частиц округлой формы. Толщина покрытия может быть задана в диапазоне от нескольких нанометров до 1,2 мкм. 2. В работе представлены результаты исследования влияния температуры, плотности тока, времени нанесения, концентрации соли, pH, молярного соотношения TEOS/H2O и концентрации спирта в исходной реакционной среде на структуру и толщину формируемых покрытий. Представленные результаты хорошо согласуются с классическими представлениями о поведении кремнеземных золей. 3. Установлено, что полученное покрытие, состоит из аморфного оксида кремния и кристаллического карбоната калия. Нагрев выше 870 °С приводит к кристаллизации кристобалита из аморфного диоксида кремния. При температуре термообработки 870 °С покрытие приобретает гладкую поверхность, а нагрев до 1170 °С приводит к его деструкции. 4. Исследовано влияние термической обработки покрытия на эффективную прочность волокна. Полный цикл нанесения покрытия, включающий термическую чистку от аппрета, нанесение покрытия и отжиг при 870 °С в течении 5 минут приводит к снижению эффективной прочности волокна на 13% по сравнению с исходным состоянием. 5. Исследовано влияние толщины покрытия и времени контакта расплава матрицы с волокном на прочность при трехточечном изгибе углеалюминиевой проволоки. Прочность композита увеличивается при уменьшении толщины покрытия и увеличении времени контакта, что указывает на хорошие барьерные свойства покрытия. Разрушение проволоки, армированной волокном с покрытием, имеет не хрупкий характер. Покрытие волокна в композите имеет достаточную сплошность и присутствует на всех филаментах волокна. Используемые покрытия в достаточной мере выполняют свои функции и не требуют дополнительной оптимизации. 6. Предварительные эксперименты позволили получить углеалюминиевую проволоки, прочность которой превышает 2000 МПа, что по меньшей мере на 50% превосходит прочность всех известных разрабатываемых углеалюминиевых композитов и на 25% превосходит по удельной прочности ближайший промышленный аналог 3M™ ACCR (США).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Исследовано влияние режимов получения углеалюминиевой проволоки на её прочность и структуру. Заложены основы управления прочностью границы между матрицей и волокном с помощью легирования сплава матрицы. Установлено, что увеличение содержания олова до 50 at. % приводит к линейному росту прочности композита с 1450 МПа до 2365 МПа, что обусловлено снижением сдвиговой прочности границы между матрицей и волокном. Рост прочности композита сопровождается ростом средней длины волокна выдернутых на поверхности разрушения. 2. Определена взаимосвязь между параметрами строения проволоки и её прочностью при изгибе. На примере композитной проволоки с матрицей из сплава Al-25%Sn определена зависимость прочности композитной проволоки при изгибе от сдвиговой прочности границы и её структуры. Средняя прочность композитной проволоки в исходном состоянии составляет около 2450 МПа. Увеличение сдвиговой прочности границы приводит к снижению прочности ниже 900 МПа. Вместе с прочностью, по мере увеличения сдвиговой прочности границы уменьшается и модуль упругости при изгибе со 190 до 150 ГПа. На основе экспериментальных данных, а также уточнения правила смеси в соответствии с распределением Вейбулла и оценки критического напряжения распространения трещины в соответствии с концепцией Гриффитса-Орована-Ирвина построена модель зависимости прочности композита от сдвиговой прочностью границы. Благодаря этому была рассчитана критическая сдвиговая прочность, при которой достигается наибольшая прочность композита, которые соответственно равны 107 МПа и 2675 МПа. 3. Исследовано влияния температуры, давления и времени компактирования на структуру объемных образцов углеалюминиевого композита. Показано, что структура композита имеет кластерное строение, где каждый отдельный жгут образует скопление-кластер филаментов углеродного волокна. Пространство между кластерами заполнено алюминием с заметно меньшим количеством волокон, по сравнению с кластерами. Разрушение композита происходит ступенчато. В пределах одного кластера волокон поверхность разрушения практически плоская, а ступеньки между плоскостями возникают в местах алюминиевых прослоек. 4. Определен комплекс механических свойств в направлении однонаправленного армирования углеалюминиевого композита с сильными границами и с границами оптимальной прочности: прочность и модуль упругости при трехточечном изгибе, прочность и модуль упругости при растяжении, трещиностойкость (критический коэффициент интенсивности напряжений KIс) и плотность. Показано преимущество композита с границами оптимальной прочности по сравнению с композитом с сильными границами. Величина прочности и трещиностойкости композита с оптимальной прочностью границ достигает 1850 МПа и 27 МПа*м1/2, соответственно, что в несколько раз превосходит аналогичные показатели композита с сильными границами. Величины модуля упругости композита с оптимальной прочностью границ достигают 150 ГПа, соответственно, что почти на треть превосходит аналогичные показатели композита с сильными границами.