Як створюють композити
Сьогодні наука багато знає про будову матеріалів та їх властивості, знає «звички» та «смаки» різних матеріалів, і це дозволяє покращувати відомі та створювати нові матеріали не наосліп, не навмання, а цілеспрямовано. Наочно це можна продемонструвати на тому, як створюють композити.
Матеріалознавство
Матеріалознавство вивчає загальні закономірності створення матеріалів, встановлює зв'язки між будовою, складом та властивостями матеріалів. Використовуючи ці закономірності та зв'язки, розробники нових матеріалів намічають області пошуку і рухаються до своєї мети усвідомлено, не блукаючи в темряві, як Паліссі, створюючи французьку порцеляну, (докладніше: Історія створення французької порцеляни). Шляхи, які ведуть до мети, сьогодні вже досить добре освітлені, на деяких із них встановлені потужні прожектори, на інших повішені маленькі ліхтарики.
Яскраво освітленими дорогами можна рухатися швидко, слабко освітленими — повільніше, долаючи горби і пробираючись крізь зарості, але напрямок витримувати можна досить чітко. Ось такими дорогами і рухаються сьогодні загони матеріалознавців. А хтось відкриває нові шляхи, і їм потрібна інтуїція Паліссі.
Як сьогодні створюються композити. Це неправильне твердження, що метод спроб і помилок вже не використовується взагалі. Використовується. Але порівняно мало.
Армовані композити
Армованим композитам пощастило більше, ніж іншим матеріалам. На той час, коли дозріла думка необхідність їх розробки, вже існувала теорія анізотропних середовищ, яка дозволяла передбачати заздалегідь властивості композитів за відомими властивостями компонентів.
Якщо древні металурги, додаючи в розплавлене залізо речовину, не знали, яквоно вплине на властивості сталі, (детальніше: Таємниця булата) то творці армованих композитів чітко знають, що вони повинні отримати, вводячи певний вид волокон у певну матрицю. І можуть передбачити властивості майбутнього матеріалу як якісно, а й кількісно. Тому що вони спираються на міцний теоретичний фундамент.
Теорія та практика
Це не означає, що на практиці завжди виходить те, що передбачає теорія. На жаль, повна згодатеорії з практикою спостерігається далеко не завжди.
Теорія, зазвичай, будується якихось певних моделей, які відбивають основні особливості справжніх композитів. Головні, та не всі. Все воно просто не може врахувати, тому що їх дуже багато, і спроба врахувати все призводить до такого ускладнення, що користуватися такою теорією просто неможливо. Тому кожна теорія справедлива у межах, які обумовлені під час її побудові. А реальні матеріали про ці рамках нічого не знають. І якщо їхня поведінка в ці рамки не укладається, то треба звинувачувати не теорію, а тих, хто її застосовує там, де не можна застосовувати.
Але для більшої частини армованих композитів теорія армованих середовищ дозволяє досить надійно оцінювати властивості, які можуть бути досягнуті, тобто дає орієнтир, якого слід прагнути. Ця теорія у вигляді досить складна, і щоб її зрозуміти, потрібно знати спеціальні розділи вищої математики. Ми не будемо їх торкатися, а щоб отримати уявлення про те, як можна заздалегідь прогнозувати властивості композитів, розглянемо найпростіший приклад, для розуміння якого цілком достатньо знань середнього п'ятикласника.
Приклад створення композиту
Потрібностворити композит на основі алюмінію з міцністю 1000 МПа та модулем Юнга 200ДПА. Достатньо мати цю міцність тільки в одному напрямку, в інших допустима міцність на рівні алюмінію. Щільність композиту має перевищувати щільності алюмінієвих сплавів.
Якщо завдання перефразувати, вийде наступне: потрібно створити матеріал на основі алюмінію, що має міцність і жорсткість хорошої легованої сталі і зберігає при цьому вагові характеристики алюмінію.
Традиційними металургійними методами (легуванням, термічною обробкою, пластичною деформацією) це зробити неможливо. Міцність чистого алюмінію становить 120-150 МПа, алюмінієвих сплавів - до 500-700 МПа. Більшого досягти не вдається. Модуль Юнга алюмінію та його сплавів приблизно 70 ГПа, причому легування, термообробка та пластична деформація практично не впливають на його величину. А нам треба збільшити його майже втричі.
Алюміній відноситься до легких металів (щільність 2700 кг/м 3 ), і якщо здійснювати легування більш важкими елементами, ніж сам алюміній, це призведе до збільшення щільності і не дозволить виконати поставлені вимоги.
Міркування матеріалознавця-композитника
Простежимо за ходомміркувань матеріалознавця-композитника. Він ясно, що завдання має вирішуватися шляхом створення композиційного матеріалу. Оскільки потрібно забезпечити міцність лише в одному напрямку, потрібно створювати армований матеріал, в якому армуючі волокна укладені паралельно один до одного. Вздовж їхньої осі і буде забезпечена максимальна міцність і жорсткість. Питання, які волокна використовувати і скільки їх ввести?
Зрозуміло, що як арматуру потрібні волокна з максимальними значеннями міцності та жорсткості. Але лише цими показниками обмежуватисьне можна. Наприклад, вольфрамові волокна, хоч і мають високі механічні характеристики, мають велику щільність, і, використовуючи їх як арматуру, ми свідомо не зможемо виконати вимогу, що стосується щільності розроблюваного композиту. З тієї ж причини слід відмовитись від застосування сталевих дротів та волокон карбіду кремнію.
Ниткоподібні кристали (докладніше: Металеві вуса) могли б допомогти вирішити завдання, але, як ми вже знаємо, їх використання пов'язане з великими технологічними труднощами та великими матеріальними витратами.
Мабуть, найдоцільніше спробувати волокна бору та вуглецю. Їх застосування не збільшить густину композиту в порівнянні з алюмінієм (вуглецеві волокна навіть зменшать її), а модуль пружності та міцність повинні підвищитися.
Необхідно підрахувати, скільки волокон потрібно запровадити, щоб забезпечити задані механічні характеристики. Скільки це означає не скільки штук, а скільки відсотків за обсягом повинні займати в композиті волокна.
Правило сумішей
Розрахунок тут простий. Необхідно застосувати правило адитивності, тобто. скористатисяправилом сумішей.
Раніше у четвертому-п'ятому класах вирішували завдання такого типу: кілограм карамелек коштує 1 рубль, а кілограм ірисок – 3 рублі. Скільки коштуватиме кілограм суміші, що складається з двох кілограмів карамелек та чотирьох кілограмів ірисок? Здавалося б, кому потрібно знати вартість кілограма цієї злощасної суміші, адже жодного нормального покупця таке питання не хвилює.
Але виявилось, що завдання про суміші насправді — дуже потрібна штука. Їх нерідко використовують у різних технічних розрахунках та зокрема при оціночних розрахунках деяких властивостей композитів. Наприклад, міцність та жорсткість композиційного матеріалуу напрямку армування можна розрахувати так само, як вартість одного кілограма суміші.
Композит у першому наближенні можна розглядати як суміш матриці та волокон. (Це можна зробити далеко не завжди, але в даному випадку для оціночних розрахунків можна.)
Ціна одного кілограма суміші визначається за простою формулою: Ц = Ц1 N1 + Ц2 N2. У цій формулі Ц1 Ц2 і Ц - ціни карамель, ірисок і суміші відповідно; N1 – частка карамелек у суміші, N2 – частка ірисок у суміші. При цьому у сумі N1 + N2 = 1.
У суміші, що складається з 2 кг карамелек і 4 кг ірисок, частка карамелек N1 = 2/(2+4) = 1/3, а частка ірисок N2 = 4/(2+4) = 2/3. Відповідно до наведеної формули ціна 1кг суміші з карамелек та ірисок складе:
Ц = 1 (крб/кг) 1/3 + 3 (крб/кг) 2/3 = 2 1/3 (крб/кг).
Модуль Юнга для композиту
За аналогічною формулою можна розрахувати модуль Юнга для композиту у напрямку укладання волокон: Е = EM VM +EB VB. Тут EM, EB, Е - модулі Юнга матриці (докладніше: Армовані композити), волокон та композиту відповідно; VM, VB - об'ємні частки матриці та волокон у композиті.
З урахуванням того, що VM + VB = 1, цей вираз можна записати у вигляді:
Останньою формулою скористаємося на вирішення поставленого завдання. Нам потрібно отримати композит із модулем Юнга Е = 200 ГПа. Модуль Юнга алюмінієвої матриці EM=70 ГПа, середній модуль Юнга борних волокон EB=400 ГПа, а вуглецевих волокон EB=350 ГПа. Отже, для композиту, армованого борними волокнами, формула набуде вигляду: 200=70 (1-VB) + 400 VB.
Вирішуючи це рівняння щодо VB, отримаємо:
VB = 0,39 = 39% (за обсягом). Для композиту алюміній – вуглецеві волокна – 200 = 70(1-VB) + 350VB, звідкиVB = 0,46 = 46% (за обсягом). Таким чином, щоб виконати вимогу щодо жорсткості, необхідно ввести в алюміній або 39% (об'єм) борних волокон, або 46% (об'єм) вуглецевих волокон.
Міцність композиту також може бути розрахована за правилом сумішей. Якщо волокна менш пластичні, ніж матриця (а в нас саме такий випадок), то міцність армованого матеріалу у напрямку укладання волокон приблизно оцінюється формулою:
Тут (? B) до і (? B) — межі міцності композиту і волокон; ϬМ - величина, близька до межі плинності матриці; VB - об'ємна частка волокон.
Нам потрібно отримати (? B) до = 1000 МПа. Борні волокна в середньому мають (?B)в = 3250 МПа, а вуглецеві — (?B)в = 2500 МПа, межа плинності алюмінію приблизно 30 МПа. Таким чином, для алюмінію, армованого борними волокнами, отримуємо
а для вуглеалюмінію -
Вирішення цих рівнянь дає для бороалюмінію VB = 0,3 = 30% (за обсягом), а для вуглеалюмінію VB = 0,39 = 39% (за обсягом). З отриманих результатів видно, що завдання вирішується або створенням бороалюмінію, що містить 39% (за обсягом), або вуглеалюмінію, армованого 46% (за обсягом) вуглецевих волокон. Композити такого складу матимуть необхідну жорсткість, міцність їх буде вищою за задану (це не дуже вигідно з економічної точки зору, але робити матеріали менш міцними ми не маємо права, оскільки при зменшенні міцності за рахунок зменшення концентрації волокон знижується і модуль Юнга).
Щільність одержаних композитів також можна розрахувати за правилом сумішей:
Тут ɣ, ɣB, ɣМ - густини композиту, волокон і матриці; VB – об'ємна частка волокон. Взявши значення щільностей борних і вуглецевих волокон (2630 кг/м 3 та 1700 кг/м 3 ) і знаючи, що ? М = 2700 кг/м 3 легко підрахувати, що щільністькомпозиту алюмінію - 39% (за обсягом) борних волокон становить 2670 кг/м 3 , а композиту алюміній - 46% (за обсягом) вуглецевих волокон - 2240 кг/м 3 . Отже, вимога щільності виконано теж.
Далі слід вирішити, на якому з двох обраних композитів зупинитися. Це визначається цілим комплексом умов – технологічних, конструкційних, економічних. В одних випадках кращим може бути бороалюміній, в інших — вуглеалюміній. Оскільки додаткова інформація не обумовлюється, у цьому можна зупинитися, вважаючи завдання, у тому як створюються композити, виконаної.