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.

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.