6.3.2. Термическая и механическая стабильность поверхности раздела композита

При длительных высокотемпературных отжигах полная поверхно­стная энергия системы снижается в результате уменьшения площади границ раздела. Хотя такой процесс весьма вероятен, однако, например, для тонкодисперсной направленной эвтектической микроструктуры имеется уравновешивающий фактор - низкоэнергетические поверхно­сти раздела, обусловленные преимущественными кристаллографиче­скими соотношениями между двумя фазами (возникновение специаль­ных, низкоэнергетических границ). Этот фактор стремится стабилизи­ровать поверхность раздела. При этом система может оставаться мелко-

зернистой, т.е. содержать большую площадь границ раздела и оставать­ся термодинамически устойчивой.

Для повышения стабильности композита путем уменьшения ин­тенсивности взаимодействия матрицы и армирующих элементов на межфазной границе используют различные методы:

- разработка новых упрочнителей, термодинамически стабиль­ных по отношению к матрице;

- применение защитных покрытий для уменьшения взаимодей­ствия между волокном и матрицей;

- применение легирования для уменьшения активности диф-фундирующих компонентов.

К первой группе методов можно отнести:

• армирование материалов дисперсными металлическими частица­ми, что приводит к резкому повышению прочности, вследствие созда­ния барьеров на пути движения дислокации и межкристаллитных гра­ниц. Такое дисперсионное упрочнение широко применяется для созда­ния, например, жаропрочных керамик;

• армирование материала нитевидными кристаллами (усами), которые вследствие малого диаметра лишены дефектов и обладают высокой проч­ностью - это перспективное направление создания высокопрочных компо­зитов. Именно открытие у нитевидных кристаллов прочности, близкой к теоретической, послужило толчком к активизации исследований в направ­лении получения волокнистых композиционных материалов;

• применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) в качестве упрочнителей. Поверхностно-активные вещества (как правило, органи­ческие соединения) обладают высокой поверхностной активностью, т.е. способностью адсорбироваться на межфазных границах и сильно сни­жать поверхностное натяжение. Молекулы ПАВ обычно дифильны, т.е. содержат одновременно гидрофильную (полярную) и гидрофобную (липофильную) атомные группы. В качестве гидрофильных могут вы­ступать функциональные группы спиртов (-ОН), кислот (-СООН и др.) и их солей, аминов (-NH2) и другие группы. Липофильные группы обычно содержат углеродные или фторуглеродные радикалы.

Ко второй группе методов относится создание диффузионных по­крытий на волокнах, не взаимодействующих или слабо взаимодейст­вующих с компонентами композита. В качестве покрытий следует вы­бирать соединения с наиболее отрицательными значениями свободной энергии образования, обеспечивающими достаточно большую величину энергии активации процесса взаимодействия. При этом следует стремиться к тому, чтобы энтропия активации образования возможных веществ была минимальной. Однако при высоких температурах этот путь не дает нужно­го эффекта из-за легкости преодоления активационных барьеров.

Третья группа методов - направленное легирование компонентов, приводящее к выравниванию химических потенциалов матрицы и ар­мирующего элемента. Тем самым достигается уменьшение движущей силы взаимного растворения компонентов и снижается скорость диффу­зионного взаимодействия. Пример термодинамической оценки влияния легирующих добавок на стабильность композиции ni-w был рассмот­рен ранее. Следует отметить, что этот способ позволяет добиться тер­модинамической совместимости представляющих практический инте­рес матриц и волокон только в редких случаях, однако он успешно при­меняется для улучшения их кинетической совместимости.