lzabella Hyla

Krzepnięcie metali i stopów t. VII PL l SSN 0208-9386 l SBN 83-04-01500-5

Os s o l i neum 1984

XI. WŁASNOŚCI KOMPOZYTÓW l PRZYKŁADY lCH PRAKTYCZNEGO

WYKORZYSTANIA W TECHNICE

Gwałtowny rozwój materiałów kompozytowych w wieku XX, wyraża­

jący się zarówno koncentracją prac naukowo-badawczych w tej dziedzinie,

jak również wzmożoną produkcją oraz praktycznym wykorzystaniem tych

materiałów, pozostaje w ścisłym związku z rosnącym zapotrzebowaniem

techniki na materiały o niekonwencjonalnych własnościach, wysokiej wy­

trzymałości oraz dużej stabilności cieplnej. Własności materiałów kompo­

zytowych można odpowiednio zaprojektować . W projektowaniu materiału

kompozytowego należy zwrócić uwagę na fakt, że własności materiału fi­

nalnego mogą być uzyskane albo jako własności sumaryczne określonych

cech komponentów, albo jako własności wynikowe lub strukturalne. W pro­

jektowaniu własności sumarycznych (np. gęstość, ciepło właściwe itp.)

w obliczeniach własności końcowej można na ogół posługiwać się regułą

mieszanin. Zgodnie z nią daną własność materiału dla kierunku uprzywi­

lejowanego (np. w kompozytach włóknistych jest to kie runek włókien, w

kompozytach warstwowych - kierunek równoległy do warstw) można

określić z zależności typu

(l)

natomiast dla kierunku prostopadłego do kierunku uprzywilejowanego z

zależności typu

378 lzabella Hyla

(2)

gdzie V - udział objętościowy poszczególnych komponentów (faz) •

Podany przykład oceny własności sumarycznych nie uwzględnia, jak

widać, możliwości wzajemnego oddziaływania komponentów. Efekt ten na-

tomiast wykorzystywany jest w tej grupie kompozytów, których własności

zaliczane są do własności wynikowych . Można to wyjaśnić schematycznie

na przykładzie sygnałów wejścia i wyjścia, obrazujących wzajemne od­

działywanie komponentów lub faz składowych.

X x-y

Rys. l. Schematyczny model kom­pozytu o własnościach wynikowych

Jeśli pewien fizyczny sygnał

wejścia X zostaje umieszczony w fa­

zie ex.. (rys . l), w której przekształ­

cony w sygnał wyjścia Y ma ·możli­

wość przejścia jako sygnał wejścio-

wy do fazy ~ i tam przekształcić się

w sygnał wyjścia Z, wówczas otrzy­

muje się materiał, który reaguje na

sygnał X-Z. Przekazanie sygnału

wyjściowego Y fazy cx.. do fazy ~ może być zrealizowane za pomocą róż-

nego rodzaju mechanizmów: może to być sprzężenie mechaniczne, elek­

tryczne, optyczne, magnetyczne, cieplne lub chemiczne . Uzyskane włas­

ności wynikowe mogą być całkowicie nowe, względnie zgodne z wyjścio­

wymi, ale o zmienionym natężeniu, uzależnionym od współczynników sprzę­

żenia. Przykładem kompozytu o własnościach wynikowych może być ma­

teriał składający się z fazy magnetostrykcyjnej i piezoelektrycznej. Kom­

pozyt taki bez pomocniczego źródła prądu przekształca sygnały magne­

tyczne w elektryczne (rys. 2) •

Zakładając, że współczynnik sprzężenia strukturalnego rozważanego

układu wynosi K1

, a współczynnik sprzężenia mechanicznego K2

, efekt

końcowy Z wyrazić można zależnością

dZ d Z dY dX - Kl . K2 • dY dX • (3)

Własności kompozytu, • • 379

Reakcja x-l.j Reakcja lj-z Reakcja >(·z

H fJ UlUJ~ l l

a

hrrrri Rys. 2. Efekt X-Z na przykładzie efektu magnetoelektrycznego w kompo­

zycie włóknistym

Należy zaznaczyć, że niezbędnym warunkiem prawidłowego i oczekiwane­

go działania tego dwufazowego kompo zytu jest dobre, mocne połączenie

obu faz, które umożliwia przenoszenie wydłużeń sprężystych bez strat ,

Ponieważ właściwości wynikowe kompozytu zależą od właściwości

wyjściowych zestawianych komponentów, zachodzi możliwość poglądowego

wskazania potencjalnych możliwych zestawień cech materiałów wyjścio­

wych w celu uzyskania materiałów o szczególnych własnościach fizycz-

nych. Propozycje prognostycznego zestawienia ujmuje tab. l. Z przedsta-

Tab . l . Prognozowane właściwości wynikowe kompozytów [36]

Właściwości

komponentu l X-Y

l

piezomagnetyczne

piezomagnetyczne

piezoelektryczne piezoelektryczne

magnetostrykcyjne

W łaś ci wości komponentu ll

Y- Z

2

magnetooporowe

efekt Faradaya

elektroluminiscencja efekt Kerra

piezoelektryczne

Właściwości wynikowe kompozytu

X- Z

3

piezooporność, opór akustyczny

obrót polaryzacji w wy­niku mechanicznego odkształcenia

piezoluminiscencja obrót polaryzacji w wy­

niku mechanicznego odkształcenia

efekt magnetoelektryczny

380

l

magnetostrykcyjne efekt Nernsta­

-Ettingshausena magnetostrykcyjne

elektre strykcyjne elektrestrykcyjne e lektroluminiscencja

e lektrostrykcyjne

efekt fotomagnetyczny fotoprzewodnictwo fotoprzewodnictwo

s cyntylacyjne

s cyntylacyjne

fluorescencyjne

lzabella Hyla

2

piezooporowe efekt See hecka

dwójłomność wywoła­na naprężeniami

piezomagnetyczne piezooporowe foto­

przewodnictwo

dwójłomność wywo­łana naprężeniami

magnetostrykcyjne elektrestrykcyjne e lektrelumini scenc ja

fotoprzewodnictwo

fluorescencyjne

fluorescencyjne

Cd. tabeli l

3

efekt magnetooporowy quasi-efekt Halla

dwójłomność wywołana magnetycznie

efekt elektromagnetyczny sprzężenie pomiędzy r

i E (quasi-efekt Gunna)

dwójłomność wywołana

elektrycznie, niodu­. lacja światła

fotostrykcyjne

przemiennik długości fali (podczerwieni -światło widzialne)

przewodnictwo wywołane promieniowaniem (detektory)

detektory promienio-wania

dwustopniowa fluore­s cencja

wionych w niej układów tylko nieliczne dotychczas wykorzystano w prak­

tyce przemysłowej, pozostałe stanowią na razie jedynie wskazówkę po­

tenc ja lnych możliwości tkwiących w materiałach kompozytowych. Pomimo

tego ilościowo i jakościowo materiały kompozytowe stanowią obecnie tak

lic zną grupę materiałów, że chcąc mówić o ich własnościach i zastoso­

wa niach, trzeba ograniczyć się do pewnych przykładów, W związku z tym

z grupy kompozytów odlewniczych do bliższego scharakteryzowania wy­

brano niektóre żarowytrzymałe i żaroodporne kompozyty konstrukcyjne

oraz przykłady możliwości wykorzystania w technice niektórych własności

fizycznych materiałów kompozytowych.

l. Kompozyty konstrukcyjne

Kornpozyty konstrukcyjne zalicza się na ogół do kompozytów o włas­

nościach sumarycznych, Jest to bardzo liczna i różnorodna grupa ma-

Własności kompozytów ••• 381

teriałów. Zróżnicowanie przejawia się zarówno w zestawieniu komponen-

t ów, jak również w kształcie, wymiarach i ilości fazy zbrojącej, a także

technologii ich wytwarzania. F odstawowym elementem, wspólnym dla

wszystkich materiałów tej grupy, są ich wysokie wskaźniki wytrzyma­

łościowe. Dodatkową cechą kompozytów konstrukcyjnych żarowytrzyma-

łych i żaroodpornych jest to, że ich dobre własności mechaniczne utrzy­

mują się także podczas pracy w podwyższonej temperaturze. Efekt wy­

sokiej i trwałej wytrzymałości or.az stabilności termicznej i odporności

korozyjnej uzyska€ można zarówno w zbrojeniu fazą dyspersyjną, jak i

włóknami.

1.1. Kompozyty dyspersyjne

Tworzą je metale lub ich stopy, do których wprowadzona zostaje

twarda, trudnotopliwa faza w postaci cząstek różnego typu związków

międzymetalicznych lub niemetalicznych, o średnicy nie przekraczającej

l ).!fi·

Efekt umacniania materiału fazą dyspersyjną uzyskuje się przede

wszystkim dzięki hamowaniu przez cząstki ruchu dyslokacji. Ponieważ

opis mechanizmu umacniania omówiono już szczegółowo w innych rozdzia-

łach, nie będzie on ponownie przytaczany. Należy jednak podkreślić, że

umocnienie fazą dyspersyjną przejawia się przede wszystkim w podwyż­

szeniu wytrzymałości na granicy plastyczności, zwiększeniu twardości

materiału oraz we wzroście stabilności jego wytrzymałości podczas pracy

w podwyższonych temperaturach, aż do temperatury równej 0,8 T m.

Efekt umocnienia, a następnie mechanizm zniszczenia kompozytu, za­

leży od własności mechanicznych zestawianych komponentów, średnicy

cząstek i ich udziału objętościowego, określającego wzajemną odległość

cząstek przy ich równomiernym rozłożeniu. W kompozytach z plastyczną

osnową zbrojoną twardymi cząstkami, rozpatrując mechanizm umocnienia

materiału z punktu widzenia teorii dyslokacji, wyróżnić można dwa przy­

padki: przypadek, w którym dyslokacje wyzwolone w procesie odkształ­

ceń plastycznych przecinają cząstki (rys. 3b), oraz przypadek drugi,

w którym dyslokacje uginają się wokół cząstek, i mijając je, pozostawiają

wokół cząstek zamknięte pierścienie dyslokacji, zgodnie z mechanizmem

382 lzabella Hyla

Rys. 3. Przejście dyslokacji w kompozycie dyspersyjnym: a - ugięcie

wokół cząstki, b - przecięcie cząstki

Orowana (rys. 3a) •

Cząstki ulegające przecięciu przez dyslokacje wnoszą wkład w u­

mocnienie materiału przez podwyższenie naprężenia plastycznego płynię­

cia oraz dodatkowy wkład energetyczny związany ze w zrostem energii

powierzchniowej dzielonych cząstek. W drugim przypadku natomiast, u­

mocnienie związane jest z ograniczeniem przemieszczania się linii dyslo­

kacji między cząstkami spowodowane oddziaływaniem pętli dyslokacji po­

wstających wokół cząstek. Dodatkowe naprężenie, niezbędne do zrów­

noważenia oddziaływania pętli dyslokacji określić można, zgodnie z teorią

Motta-Nabarro, z następującej zależności

3

z . G b • v2 2 X o p (4) t' d

p

w której z - średnia liczba pętli dyslokacji wytworzonych wokół cząstek,

V - udział objętościowy cząstek, d - średnica cząstek, G - moduł p p o

sprężystości osnowy, b - wektor Burgersa.

W tej grupie kompozytów pod wpływem przyłożonego obciążenia, twar­

de cząsteczki ograniczają odkształcenia znacznie bardziej od nich mięk­

kiej osnowy. Powstaje pole naprężeń hydrostatycznych, podobne do pola

naprężeń w ośrodku sprężystym, a le przy znacznie wyższych wartościach

naprężeń, pr;z:ewyż szających często od 3 do 3, S-krotnie naprężenie na

Własności kompozytów ••• 383

granicy plastyczności nie ściśniętej osnowy. W powstałych warunkach

naprężeniowo-odkształceniowych następuje umocnienie osnowy przez zgniot,

co s tanowi również część składową całkowitego umocnienia kompozytu,

Zgodnie z propozycjami Eshby [i] granic plastyczności tego typu

kompozytu można określić z zależności

- 6 e o

G b d + 0,85 2 ~c lo- a ) qnn (!t) '

p (5)

w której cre granica plastyczności osnowy, G - moduł ścinania osno­o o

wy, b - wektor Burgersa, d - średnica cząstki (wartość średnia), p

4> - współczynnik uwzględniający zróżnicowany wpływ różnych typów

dyslokacji, L - średnia odległość między cząsteczkami;

l 2

gdzie V i - udział objętościowy cząstek o promieniu ri.

(G)

(7)

Przy dalszym wzroście obciążenia zniszczenie materiału rozpoczyna

się w wyniku niestabilnego płynięcia osnowy. Obciążenie graniczne i od-

"bo r--'V---------- -------r--,

1 ID ';l

15

1 • Cu ·Cr (~ o.og mmJ 2 - Cu · Fe(; 0.03 mm} 3 - C u · Cr f ~ O 04 mm}

Q1 Ql Q3 D.5 Q1 1

1/X (mm-1)

5 7 l()

Rys. 4. Wpływ c ząstek dyspersyjnych na granicę plastyczności kompozytu: l - Cu + Cr (,P 0,09 mm), 2-- Cu + Fe (rp 0,03 mm), 3 - Cu + Cr (rp O, 04 mm) , )l - średnia swobodna droga między cząstkami wzmacnia­

jącymi [2]

384 lzabella Hyla

s t q4 § • <:i

"' ~ ~ 0,3 o

8 s ~· ~ ,

1 t1 0,1

l ~

o O,Oł 0.08 O.f2 0,16 0,20 O.>ł

Udzial obit:lościOH<J cząstek (Vp)

Rys. S. Zależność współczynnika umocnienia odkształceniowego n od u­działu objętościowego cząstek zbrojących V [2]

p

k s ztałcenie przy tym obciążeniu pozostają w prostej zależności od gra­

nic y plastyczności i współczynnika umocnienia osnowy n. Jak widać z

rys. 4 na poziom granicy plastyczności można wpływać poprzez wielkość

udziału objętościowego fazy zbrojącej i wielkość jej cząstek. Fotwier-

d za ją to wyniki badań eksperymentalnych (rys. 4 i 5) , w których stwier­

d zono, że im mniejsze średnice cząstek i większy ich udział objętościo­

wy , tym efekt umocnienia lepszy. Jest to słuszne jednak tylko w pew­

nych granicac h zmian, podyktowanych z jednej strony względami technicz­

nymi, z drugiej strony faktem, że zbyt cienka warstewka osnowy pomię­

dzy c ząsteczkami może szybko ulec uszkodzeniu i przyczynić się do spad­

ku wytrzymałości całego kompozytu, niwecząc efekt umocnienia.

Przy zbrojeniu cząstkami kruchymi, pękającymi pod wpływem przylo­

żonego obciążenia, zniszczenie kompozytu rozpoczyna się od pękania

c ząstek, wywołującego silne plastyczne odkształcenie osnowy na niewiel­

kim odcinku. Jak wykazały badania [3], po pęknięciu pewnej liczby czą­

stek zwiększone plastyczne odkształcenie osnowy powoduje rozwieranie

się pęknięć, a to z kolei prowadzi do powstawania w materiale porów.

Końcowe zniszczenie kompozytu następuje na skutek przerwania silnie

odkształconego materiału między porami.

Własności kompozytów ••• 385

W kompozytac h mających kruchą osnowę rola pla stycznych , względ-

nie twardych cząstek, sprowadza się do ograniczenia rozmiarów naj­

większych defektów lub mikropęknięć w osnowie, przyczyniając się do

podwyższenia jej wytrzymałości. Wpływ dyspersyjnej fazy zbrojącej na

wytrzymałość i twardość materiału jest szczególnie widoczny podczas

jego pracy w podwyższonych temperaturach. Wprowadzenie fazy dysper­

syjnej do osnowy podwyższa jej wytrzymałość i twardość w wysokich

temperaturach (rys. 6, 7), zwiększa stabilność tych własności oraz

podwyż sza wytrzymałość na

pełzanie (rys. 8). Przebieg

procesu pełzania tych ma­

teriałów często jest oceniany

.z punktu widzenia mechanizmów

dyslokacyjnych, szczególnie

w określaniu szybkości peł­

zania dla okresu pełzania u­

stalonego.

Według J. Weertmana [7] przy zbyt niskich naprężeniach,

niezdolnych do ugięcia dyslo­

kacji wokół cząstek, ale w

400 - '""' c·c>

Rys. 6. Temperaturowa zależność wytrzy­małości na rozciąganie 6r i granicy pla­styczności cf0 , 2 stopów n~klowych umac­nianych dyspers:fjnie (wartości uśrednio-

ne) [ 4]

dostatecznie wysokich temperaturach, dyslokacje przepełzają wokół czą-

stek według mechanizmu samodyfuzji. Szybkość pełzania ustalonego dla

takiego przypadku określić można z zależności

(8)

w której 6 - przyłożone naprężenie, D - współczynnik samodyfuzji osno­

wy, b - wektor Burgersa, d - średnica cząsteczki, k - stała Boltzmana , p

T temperatura bezwzględna.

Natomiast w przypadku działania większych naprężeń, wystarczających

do ugięcia dyslokacji wokół cząstek wraz z utworzeniem pętli i płaskich

s kupisk dyslokacyjnych, szybkość pełzania uzależniona jest od przepeł­

zania pozostałych pętli oraz dyfuzji wakansów do linii dyslokacji, lub ad

386 lzabella Hyla

Rys. 7. Wpływ fazy dyspersyjnej na twardość kompozytów Cu-Si02 i Cu-A1203 w podwyższonych tem-

peraturach [5]

Rys. 8. Zmiana wytrzymałości w czasie dla_ czystego żelaza i żelaza wzmacnianego dyspersyjnie tlen­kami aluminium o różnym . udziale objętościowym V p fazy dyspersyj­nej. Temperatura pomiaru 1093°

[G]

niej. Dla tego przypadku ustaloną

szybkość pełzania określa równanie

t • 21L64

LD/d 63

k T (9) ust. p o '

w którym o' - moduł sprężystości o

osnowy, L - odległość między czą-

steczkami (pozostałe oznaczenia jak

w (8)) • Przy braku uaktywnienia

zwykłych źródeł dyslokacji G.S.

Ansell [8] proponuje korzystanie z

zależności typu

L ust - Aexp( -Q + B c5) /kT, (10)

w której A - stała, Q - energia nie­

zbędna do wyjścia dyslokacji poza

granice ziarna, B - stała, równa

pochodnej energii aktywacji względem

na prę żeni a.

Duża stabilność własności mecha-

nicznych kompozytów dyspersyjnych

w wysokich temperaturach powoduje,

że znajdują one zastosowanie w róż­

nych gałęziach przemysłu do wyrobu szeregu elementów, które musi ce-

chować wysoka żarowytrzymałość. Przykładowo w przemyśle elektro­

technicznym jako odpowiedzialne elementy stykowe stosuje się kompozyty

Cu/Al2o

3 i Cu/BeO, których twardość (zatem w sposób pośredni rów­

nież wytrzymałość) w wysokich temperaturach ilustrują wykresy na

rys. 9. Na rysunku tym podano również analogie zne wykresy dla drugiej

grupy kompozytów wykorzystywanych w elektrotechnice, mianowicie kom­

pozytów, których osnowę stanowi srebro. Elementy stykowe pracujące w

różnego rodzaju odłącznikach, wyłącznikach lub przekaźnikach muszą być

wy konane z materiałów, które oprócz odpowiednich własności elektrycznyc h

Własności kompozytów ••• 387

muszą charakteryzować się długą

żywotnością, przy zmiennych

warunkach temperaturowo-ob-

ciążeniowych (częste wyłącza- f10

nia, przeciążenia itp.), sta­

łością własności i wymiarów

oraz dobrymi cechami techno-

logicznymi. Są to wymagania wy- 110

sokie, którym nie za w s ze mogą

sprostać nie tylko czyste me- 6IJ

tale, a le również ich stopy.

'-......: Cu/8e0

- t'\ 1-

i---

1'\

\ '-......

Cu/A/10, ,

'\

Aallł>O -....... ~

t\.. \

Cu ( ASifol NOne na an roi ,........._ i--

~ (kg/a/trwa, naDimo)

600 Dlatego do zapewnienia pra­

widłowej, bezawaryjnej pracy

tych urządzeń sięgnięto do kom­

pozytów.

Rys. 9. Zależność twardości niektórych kompozytów dyspersyjnych od temperatury

Podobne potrzeby ma przemysł szklarski. W urządzeniach do topie-

nia szkła występują bo.wi em elementy, które nawet w bardzo wysokiej

temperaturze nie mogą zmieniać pod obciążeniem ani swoich wymiarów,

ani wytrzymałości i twardości. Ta-

kie elementy (np. łóaka z filiera­

mi) • są wykonywane z kompozytów

dyspersyjnych platyna-tlenki cyr­

konu .• Jak znacznie cząstki te pod­

wyższają wytrzymałość materiału

~ ~ li ~

:~ -2 !:l

~ ... ~ :t

so

20

tł

órJ

lO

tO ' 1()0

Pt . 1.500 ·c

2 5 to' :l 5 1~J czas 2

· osnowy, ilustrują najlepiej wykre­

sy przedstawione na rys. 10. W

przemyśle energetycznym, lotni­

czym (silniki) czy kosmie znym

sięgnięto natomiast po kompozyty

z osnową niklową . Nikiel i jego

stopy z dodatkiem chromu lub mo­

Rys. 10. Czasowa wytrzymałość pla­tyny oraz kompozytu platyna-tlenek cyrkonu w podwyższonych temperatu-

rach

libdenu umacniane dyspersyjnie uważane są w obecnych czasach za jeden

z najlepszych materiałów żarowytrzymałych. Dlatego wykonuje się z nich

388 lzabella Hyla

m.in. łopatki turbin, pracujących w obszarze bardzo wysokich tempera-

tur ciągłych .

1.2. Kompozyty włókniste

Materiały kompozytowe konstrukcyjne to przede wszystkim kompo­

zyty włókniste. Wśród nich, biorąc pod uwagę kompozyty odlewnicze

przeznaczone do pracy w podwyższonych temperaturach, stosowane są

zarówno te, które otrzymywane są metodami bezpośrednimi, tzw. kompo­

zyty "in situ", jak również otrzymywane metodami pośrednimi, takimi

jak np. metoda ciągłego odlewania, metoda infiltracji, metoda zanurza­

nia w ciekłym metalu o snowy, czy wreszcie odlewania rotacyjnego. Do

kompozytów otrzymywanych metodami bezpośrednimi zalicza się przede

wszystkim kompozyty eutektyczne .

Kompozyty otrzymywane przez kierunkową krystalizację sto pów eutek­

tycznych, charakteryzują się dużą stabilnością termodynamiczną i dosko­

nałymi własnościami eksploatacyjnymi. Zaliczane są w większości do bar­

dzo dobrych materiałów żarowytrzymałych, ponieważ wykazują wyjątkowo

wysoką stabilność struktury podczas pracy w wysokiej temperaturze, a

wraz z tym stabilność własności mechanicznych. Kierunkowo krystalizo­

wane eutektyki pozwalają uzyskać model struktury kompozytu włóknistego, ·

w którym na tle osnowy pojawia się uporządkowana faza o kształcie włók­

nistym, charakteryzująca się bardzo dobrymi własnościami wytrzymałoś­

ciowymi. Względy ekonomiczno-surowcowe ograniczają wybór zasadni­

czego składnika osnowy właściwie wyłącznie do niklu i kobaltu [9] . Fazą zbrojącą bywa natomiast z reguły związek międzymetaliczny. Wśród tych

związków węgliki typu MC wyróżniają się szeregiem korzystnych włas­

ności, np. wysoką temperaturą topnienia, trwałością chemiczną i wysoką

wytrzymałością. Własności mechaniczne kompozytów eutektycznych w tem­

peratura.ch otoczenia podlegają prawu addyty":'ności, podobnie jak w in­

nych grupach kompozytów włókni stych.

Moduł sprężystości, zgodnie z rys. 11, określa równanie

(11)

Własności kompozytów ••• 389

(12)

da' o

Ek - E V + -d-- V , u ww c o (13)

gdzie E , E - moduły spręży­w o

stości włókna i osnowy, V , V w o

- udziały objętościowe włókien i da' o

osnowy, ~ - szybkość umoc-

nienia osnowy.

Konieczność u w zglę dnienia

członu reprezentującego wpływ o­

snowy zależy od zestawienia kom­

ponentów oraz szybkości krystali­

zacji stopu. Przy dużych szybkoś-

02 M 0.6 O.S Odkszfatceme e(%)

Rys. 11. Wyk re s rozciągania kompo­zytu Al-CuAlz o zróżnicowanej struk­turze [10], l - obszar sprężysty,

U - obszar pseudosprężysty

ciach krystalizacji obserwuje się wzrost modułu Ekll, jednakże po prze­

kroczeniu pewnej wielkości, którą można uznać za wartość graniczną dla

danego kompozytu, rozpoczyna się spadek E ku' Wiąże się to ze zmia ­

nami strukturalnymi, jakie niesie szybka krystalizacja, w wyniku czego

obok fazy uporządkowanej ciągłej pojawia się faza uporządkowana nie-

ciągła o długości l :l:< lk i odkształceniu krytycznym ek • Lk ryt. ryt. ryt.

i E określają maksymalną wartość obciążenia, jakie może przejąć kryt.

ta faza

l -kryt.

E €. w kryt.

't'

a ;>, w

a+;>. (14)

w

Oznaczając udział objętościowy fazy · ciągłej przez V..;", a fazy dyskretnej

przez V w - V..;", moduł sprężystości Ekll można wyznaczyć z zależności

[10].

Ek - E V ' + E /V - V 'f [1 -u w w w w w

E [ 'a J 'l:' l ~a+ >) '

w

(15)

390

przy

lub

przy

lzabella Hyla

ć kryt.'

V' w

E-' ~ f. k • ryt.

(16)

Jak wynika z przytoczonych równań, niewłaściwe prowadzenie pro­

cesu kierunkowej krystalizacji, powodujące powstawanie dużej liczby

włókien krótkich, o długości l ~ lk , powoduje znaczne obniżenie mo-ryt.

dułu sprężystości Ek • Ponieważ jednak długość krytyczna lk fazy 11 ryt.

zbrojącej zależy również od granicy plastyczności osnowy 'l:' (14) , za­o

tern podwyższając naprężenie styczne 't' poprzez obróbkę cieplną kom­o

pozytu, można zwiększyć efektywną długość komponentu zbrojącego. Przy­

kładowo wygrzewanie kompozytu Al-CuAl2

w temperaturze 510° C przez

2h, a następnie starzenie w temperaturze 165° C przez 9h, prowadzi

do zmniejszenia długości krytycznej od lk ~ 50 i\ przed obróbką ryt. w

cieplną, cio wartości lk ~ 6 i\ po obróbce [10]. ryt. w

Moduł sprężystości kompozytu, ogólnie rzec z biorąc, podlega prawu

addytywności, jednak przechodząc do określania naprężeń na granicy pla­

styczności, nie udaje się stwierdzić tej prawidłowości. Okazuje się, że

zależy ona w dość znacżnym stopniu od charakterystyk mechanicznych

współdziałających faz i w związku z tym dla różnych grup kompozytów

spotkać można propozycje różnych zależności funkcyjnych do obliczania

naprężenia na granicy plastyczności. Przykładowo R. Kosowsky [11] dla

kompozytu Ni-Cr proponuje zależność uwzględniającą zarówno prawo mie­

szanin, jak i równanie Halla-Petcha w odniesieniu do faz składowych

kompozytu

l

6 - ( 6 + k t. --z) V + (a e ek e

0 o o o w

gdzie

• ( 6 V e o

o

Własności kompozytów •••

+ 6 V ) e w

w

er e - granica plastyczności osnowy, o

6 e - granica plastyczności włókien, w

6 - granica plastyczności kompozytu, ek

k0

, kw - stale Fetcha dla osnowy i włókien.

391

(17)

W kompozytach, w których komponenty nie osiągają jednocześnie

granicy plastyczności (tzn. przykładowo włókna odkształcają się nadal

sprężyście, natomiast osnowa osiąga już granicę plastyczności) do rów­

nania (l 7) należy wprowadzić poprawkę. Należy pominąć w nim skład-1 1

nik k v-r • A.-1. , a pod symbolem 6e należy rozumieć naprężenie w w w

sprężyste, występujące we włóknie w momencie, gdy osnowa osiąga gra-

nicę plastyczności. Ponieważ jednak równanie Halla-Fetcha nie znajduje

zastosowania dla wszystkich układów, istnieje w literaturze szereg in­

nych propozycji odnośnie do zależności pozwalających określać granicę

plastyczności kompozytów. Znaleźć je można m.in. w pracach [12, 13,

14, 15]. Do określenia doraźnej wytrzymałości kompo zytu w kierunku

zgodnym z osią włókien zbrojących na ogół korzysta się z prawa ad­

dytywności , tzn.

+ 6 (l - V ) • o(t.w ) w

(18)

Jak wykazały jednak badania [16, 17], równanie to nie dla wszystkich

kompo zytów znajduje potwierdzenie w wynikach badań eksperymentalnych.

Przypuszczalnie wiąże się to ze zróżnicowaniem mechanizmów zniszcze-

nia dla różnych zestawów komponentów. Równanie (18) najczęściej znaj­

duje potwierdzenie w kompozytach mających plastyczną osnowę i kruche

włókno zbrojące, chociaż i w tej grupie można spotkać od niego odstępstwa

(np. Al-CuAl2

, (Co, Cr) -(Cr, Co) 7c

3.

Przy kruchych osnowach i kruchych włóknach zniszczenie kompo zytu

następuje w wyniku nagromadzenia krytycznej liczby ognisk zniszczenia,

392 lzabella Hyla

do których zalicza się pęknięte włókna lub inne defekty makrostruktury

materiału. Ponieważ materiały kruche mają większy rozrzut wytrzyma­

łości (większa wrażliwość na defekty powierzchniowe) , zatem proces

gromadzenia pęknięć, a więc i wytrzymałość materiału, podlega prawom

statystycznym. Dla takich kompozytów Rozen [ 18] proponuje obliczanie

wytrzymałości z następującej zależności:

l l

6 - 6' (me) m • (lk / d ) m rk w ryt. w V ' w

(19)

w której 6~ - teoretyczna wytrzymałość włókna, m - parametr roz­

rzutu, V w - udział objętościowy włókien, d w - średnica włókien,

l kryt.

l 2 l + ( l - <P )]

l) arch 2 ( 1 _f) , (20)

gdzie 4> - stała, G - moduł sprężystości osnowy , E - moduł sprę-o w

żystoś ci włókna .

Jednakże korzystanie z modeli statystycznych w obliczaniu wytrzy­

małości kompozytu jest niecelowe, gdyż trudno ocenić rozrzut w okreś­

lonej sytuacji. Autorzy pracy [16] zaproponowali więc pewien model

uproszc zony , który uwzględnia fakt, ż e w miarę obciążania kompozytu

liczba pęknięć fazy włóknistej rośnie i po osiągnięciu obciążenia niszczą­

cego w obszarze zniszczenia znajdują się elementy o długości l < lk ryt.

oraz o długości l > lk . Do obliczenia wytrzymałości takiego kompo-ryt.

zytu eutektycznego autorzy [ 16] proponują zależność

(21)

w której V' i (V - V ' ) - udział objętościowy włókien o długości od-w w w

powiednie większej i mniejszej od lk , l i ryt. +

l - średnie długości włó-

kien, których długości l > lk i l < lk , ryt. ryt.

odpowiednio.

Własności kompozytów ••• 393

Kiedy natomiast kompozyt składa się z plastycznej osnowy plastycz-

nego włókna, odchylenie od równania sumacyjnego wywołane może być

procesem wielokrotnego szyjkowania komponentu zbrojącego oraz wystę­

powaniem efektu plastyfikującego, polegającego na zwiększonej plastycz­

ności włókna w kompozycie w porównaniu z tą, jaką posiada poza osno­

wą . Dla tych przypadków brak jednoznacznych propozycji co do postaci

równań umożliwiających obliczanie wytrzymałości kompozytu, ponieważ

efekt końcowy zależy w dużym stopniu od wzajemnego oddziaływania

komponentów oraz ich zdolności do umocnienia przez odkształcenie, co

z kolei nie da się jednoznacznie przewidzieć.

Kompozyty eutektyczne to jednak przede wszystkim materiały żaro­

odporne i żarowytrzymałe, istotne zatem są własności i zachowanie się

tych materiałów w wysokich temperaturach, Bardzo dobra żarowytrzy­

małość; jaka charakteryzuje szereg kompozytów eutektycznych, jest wy­

nikiem stabilności ich struktury w wysokich temperaturach . W procesie

wytwarzania kompozytów eutektycznych obie fazy bowiem powstają w wa­

runkach równowagi termodynalnicznej i wartości ich energii swobodnych

są równe, brak jest zatem gradientów potencjału chemicznego, które

mogłyby zainicjować procesy dyfuzji. Warunki wzrostu kierunkowego wy­

muszają ponadto takie zależności krystalograficzne i strukturalne, które

powodują możliwie najniższą jednostkową energię powierzchniową granicy

międzyfazowej. Zapewnia to nie tylko dobre własności wytrzymałościowe

przy obciążeniach krótkotrwałych w wysokich temperaturach (rys. 12) ,

ale również stabilność struktury przy długotrwałej pracy w polu wyso­

kich temperatur. Badania procesu pełzania kompozytów eutektycznych

[20-22] wykazały, że szybkość pełzania ustalonego w tych kompozytach

można opisać zależnością typu równania Arrheniusa

(22)

Wartość wykładnika n dla niektórych materiałów ujmuje tab. 2, E ­

nergia aktywacji zależy od wielkości udziału poszczególnych faz w pro­

cesie pełzania. Fazy strukturalne uczestniczą bowiem w różnym stopniu

w inicjowaniu i rozwoju pełzania. Oprócz wielkości energii aktywacji

394

Rys . 12. Zależność wy­trzymałości na rozciąga­nie od temperatury dla niektórych kompozytów w zestawieniu z żarowy­trzymałymi stopami: S -MAR-M200 i 6 - TRW VIA [ 4 J; a - kompozyty o strukturze płytkowej: l - Ni-NiMo, 2 - Ni ­-Ni3Nb, 3 - Ni-Ni3Ti, 4 - NiAl-Ni3Nb; b -kom­pozyty o strukturze słup­kowej: l - Ni-NbC, 2 -NiAl -Cr, 3 - Ni+20%Co+ +10%Cr+3%Al-TaC, 4 -

Ni3 Ta- Ni3Al

lzabella Hyla

na przebieg proce su pełzania mogą wywierać

równie ż istotny w. ływ zmiany mikrostruktury .

Granica rozdzia lu faz, działając hamująco

na ruch dyslokacji w o snowie, przyczynia się

do wytworzenia określonej substruktury dyslo­

kacyjnej, której towarzyszy pewne pole na­

prężeń. Naprężenie to wywiera z kolei wpływ

na przebieg charakterystyk pełzania. Przez

analogię do kompo zytu dys per syjnego, w któ­

rym ruch dyslokacji hamowany c ząsteczkami

fazy dyspersyjnej zależał nie tylko od śred­

nicy cząstek, ale również od odległości mię­

dzy nimi, można przyjąć, że podobnym para­

metrem wymiarowym substruktury w kompozy ­

tach eutektycznych jest odległość między płyt­

kami lub włóknami - A • Naprężenia we­

wnętrzne wywołane taką substrukturą okreś­

lić można zależnością 6 . - k ;ł, a szybkość 1

pełzania osnowy równaniem

f., o

l

A(6- k.A-"2)nexp[-Q/(RT)] (23)

Wraz ze wzrostem szybkości krystalizacji na­

stępuje rozdrobnienie struktur, w wyniku czego odległość między elemen­

tami faz >. będzie równie ż malała . Zmaleje też szybkość pełzania (23) .

Tab . 2 . Wykładnik "n" w równaniu pełzania ustalonego ~równ.22 ) dla niektórych materiałów [ 25]

Materiał

n

Metale i stop

3-5

Ni-Cr

~ 7 ~ 21 - 7

Jak widać, zwiększając szybkość krystalizacji stopu eutektycznego, można

uzyskać materiał o mniejszej szybkości pełzania .

Własności kompozytów . . • 395

Badania długotrwałej wytrzymałości kompozytów eutektycznych (Ni3

Al-o

-Ni3

Nb i Ni/Ni3

Al-Ni3

Nb) w temperaturze 1100 C przy naprężeniu 120-

-160 MPa wykazały, że stabilność termiczna tych kompozytów dotyczy w

głównej mierze kształtu i rozmiarów fazy Ni3

Nb, a nie całej mikrostruk­

tury . W płytkach Ni3

Nb stwierdzono bowiem występowanie wydzieleń fazy

Ni3

Al, a na granicach rozdziału pojawienie się epitaksjalnych siatek

dyslokacji.

Wpływanie na szybkość pełzania kompozytu eutektycznego poprzez

dużą szybkość krystalizacji ma bardzo ograniczony zakres . Istnieje bo­

wiem pewna prędkość krystalizacji, zwana prędkością krytyczną, której

nie powinno się przekraczać, jeżeli chce się zachować dobre własności

wytrzymałościowe kompozytu. Przekroczenie szybkości krytycznej kry­

stalizacji prowadzi do powstawania, obok uporządkowanej formy słupko­

wej fazy zbrojącej, również obszarów o kształtach płytkowych o większym

zdefektowaniu, co ma istotne znaczenie w pracy materiału w wysokich

temperaturach. Przy większym udziale objętościowym takich form fazy

zbrojącej wytrzymałość na pełzanie kompozytu eutektycznego maleje.

Głównym obszarem wykorzystywania kompozytów eutektycznych jako

materiału konstrukcyjnego, a szczególnie kompozytów z osnową z niklu

lub jego stopów, pozostają obecnie jedynie nieliczne elementy konstruk­

cyjne w silnikach (łopatki, dysze) o bardzo wysokich parametrach pracy

i dużej odpowiedzialności. Są to przede wszystkim te elementy silników

turbinowych gazowych w urządzeniach transportowych i energetycznych,

które prze jmują uderzenie gorących gazów spalinowych o temperaturze

przewyższającej często temperaturę topnienia stopów żarowytrzymałych .

S ą podejmowane również próby wytwarzania łopatek turbinowych (rys . 13),

które co prawda pracują w o wiele niższych temperaturach niż łopatki

silników odrzutowych, jednakże są bardziej obciążone. Stosuje się rów­

nież kompozyty do takich elementów, jak komory spalania, ekrany cieplne

itp., ws zędzie tam, gdzie tradycyjne materiały nie mogą pracować z po­

wodu zbyt wysokiej temperatury.

Do pracy w podwyższonych temperaturach, jednakże nie przekracza­o

jących na ogól temperatury 500 C, wykorzystywane są również kompo-

zyty włókniste, otrzymywane metodami pośrednimi. Ograniczenia tern-

396 lzabella Hyla

peraturowe w tej gru­

pie kompozytów stano­

wiących czę sto układy

dalekie od termodyna­

micznej równowagi, nie­

jednokrotnie związane

są z problemami wza­

jemnego oddziaływania

komponentów. Oce nia

się j e , szc zególnie w

odnie s ieniu do materia-·Kys . 13 . Łopatki wykona ne : a- ze stopu, b, c - z kompo zytów eutektycznyc h łów konstrukcyjnyc h,

jako zjawisko negatyw­

ne, ponieważ prowad zą do utworzenia pomiędzy komponentami trzeciej

fa zy w po s ta ci wa r s twy granicznej, która z reguły jest twarda oraz

kruc ha , powodując obniżenie własności wytrzymałościowych kompozytu.

Zgodnie z [ 23] do teoretycznej oceny zależności wytrzymałości kom­

pozytu od grubości warstwy granicznej można rozpatrywać kompozyt jako

układ trój składnikowy: włókien zbrojących, kruchej warstwy granicznej

i plastycznej osnowy. Można przyjąć, że wytrzymałość warstwy granicz­

nej, jako ciała kruchego, będzie malała wraz ze wzrostem jej grubości.

W nawiązaniu do własności ciała kruchego, wytrzymałość warstwy gra­

nicznej można opisać zależnością Weibulla

6 . l r

l f..

- 6 (v /V.) o o l

(24)

w której (f - wytrzymałość związku międzymetalicznego warstwy gra­o

nicznej dla pewnej małej objętości v , (3 - współczynnik rozkładu o

Weibulla , charakteryzujący rozrzut wytrzymałości (dla ciał kruchych

{?l - 2ł 4) , V . - objętość warstwy granicznej. l

Dla cylindrycznego kształtu warstwy granicznej jej udział objętoś-

ciowy określić można zależnością

Własności kompozytów,.. 397

2 V. - '1t -r Lv /V , (25)

l w o w

w której r i L - promień i długość włókna, V. i V - udział objętoś-w l w

ciowy warstwy granicznej i włókien.

Zgodnie z zależnością (24) wytrzymałość warstwy granicznej rośnie

wraz ze zmniejszeniem jej grubości (lub V.) i po przekroczeniu pewnej l

grubości krytycznej odkształcenie zniszczenia warstwy €. ir może prze-

wyższyć odkształcenie zniszczenia włókien €. wr. W zależności od gru­

bości warstwy granicznej zniszczenie kompozytu może więc przebiegać .

różnie' rozpoczynając albo od pęknięcia włókien' albo od pękania warstwy

granicznej. Z warunku

E. - €. wr ir

z uwzględnieniem zależności (24) i (25) oraz faktu, że kruche między­

metaliczne warstwy graniczne ocikształcają się sprężyście aż do zniszcze-

nia, a zatem

E. . - 6 . /E . , lr lr l

(27)

- znaleźć można wspomniany krytyczny udział objętościowy warstwy gra­

nicznej vi z zależności c

V. - (v V /L'1rr2

) (eS' /E . E. l . 1 o w w o 1 wr

(28) c

Dla V. < Vi zniszczenie materiału zaczyna się od pękania włókien i wy-l c

trzymałość kompozytu przy rozciąganiu można wyznaczyć z zależności

6k -6k +V. [A. [6. -6 ]+(1-A.)[<S. -6 ]}•(29) r l r 1 1 1 1 (t ) o (E ) 1 1 (E. ) wr

. wr wr wr

w której f!k - wytrzymałość kompozytu bez warstwy granicznej obliczo-rl

na z reguły mieszanin, 6wr wytrzymałość włókien,

398 lzabella Hyla

Rys. 14. Spękanie warstwy granicznej [ 19 J

żenie w warstwie granicznej i osnowie dla odkształcenia równego od­

kształceniu niszczącemu włókien, V 0

- udział objętościowy osnowy, Ai -

parametr charakteryzujący udział objętościowy warstwy "wrastającej" w

osnowę i odpowiednio (l - A.) - zmiana średnicy włókna. l

Rys. 15. Odwarstwianie kompo­nentów na granicy rozdziału [19]

Dla V >V. zniszczenie rozpoczyna i lc

się od zniszczenia warstwy granicz-

nej, która ulega spękaniu na oddziel­

ne segmenty o określonej długości Li

(rys. 1 4 ). Pękanie warstwy granicz-

nej może wywołać przedwczesne pę­

kanie włókien w wyniku koncentrac ji

naprężeń w wierzchołkach licznych

pęknięć. Dla jeszcze większych gru­

bości warstw może wystąpić ponadto

odwarstwianie drutów w wyniku dzia­

łających naprę żeń stycznych (rys. 15) . Analizę rozkładu naprężeń zwią­

zanego z drobieniem włókien opracował Pompe [24]. Wykazał on, przy

wykorzystaniu jednop; .1metrowego modelu Weissbarth 'a [23], że długości

segmentów drobienia l . zmniejszają się ze w zrostem grubości warstwy. l

W rezultacie wzrasta koncentracja naprężeri we włóknach, co prowadzi

do obr • . <:!nia wytrzymałości kompozytu zgodnie z równaniem

Własności kompozytów ••• 399

6 - V 6 -t k r11

w wr

E . [ l - th '7 .l./ '7 .l . J V __ 1_ d ----~--~~----~1~1~~1~1--~---iEw wr l + (V .E./ V E )(th? .l./ '7 l . )

ll ww ll l l

(30)

-V. [A.6 +(1- A. )6 ]+ 1 1 o (E- ) 1 wr

wr

- l gdzie '7 . - długość odcink a, na którym przekazywane jest obciążenie

l

między włóknem i war stwą graniczną .

W przypadku gdy podczas dr obienia wa rstwa granic zn a zos t an ie po­

dzielona na segmenty k rótsze niż l i . , określone zależnością m1n

V. 6 . 2 --l-~

V 't' . w l

( 31)

(gdzie 't' . - wytrzymałość na ścinanie połączenia warstwy gr anicznej z l

włóknami),

- rozpoczyna się odwarstwianie spękanej warstwy granicznej od włókien .

Chociaż jednocześnie zmniejsza się koncentracja naprężeń we włóknach,

odwarstwianie prowadzi do jeszcze większego. spadku wytrzymałości kom­

pozytu, którego wytrzymałość w tym stadium opisać można zależnością

6 - V 6 + V d · - V. [(l - A ) d kr111 w wr o o(f, ) 1 1 wr

wr

+ A. 6 J. 1 o( E )

wr

(32)

Równania (29), (30) i (32) umożliwiają graficzne przedstawienie

zależności wytrzymałości kompozytu od grubości warstwy granicznej, co

dla obliczeń teoretycznych, a także wyników eksperymentalnych, ilustruje

rys . 16. Wpływ grubości warstwy granicznej na wytrzymałość wzdłużną

i poprzeczną kompozytu, a także wytrzymałość połączenia na granicy faz

zilustrowano z kolei na rys. 17 . Jak widać z rysunku, we wszystkich

tych przypadkach jedynie bardzo c ienkie warstwy graniczne podnoszą

wytrzymałość, natomiast większe grubości powodują spadek w·,trzymałości,

i to do wartości niższej niż daje połączenie adhezyjne .

Może się TÓwnież zdarzyć , że wytrzymałość kompozytu będzie cały

czas monotonicznie spadała wraz ze wzrostem grubości warstwy, bez

400 lzabella }{yla

Rys. 16. Zależność wytrzyma­łości kompozytu od grubości warstwy granicznej ( ---- obli­czane , eksperymentalne)

[24]

'::~--------~ :rs __

N

ZIJ()

c Q f2

wystąpienia zauważalnej na rys, 16 gru­

bości krytycznej, po której przekrocze­

niu nastąpi spadek wytrzymałości ma­

teriału. Ponadto początkowo niewielka

grubość warstewki granicznej, powsta­

łej w trakcie procesu wytwarzania kom­

pozytu, może się powiększać podczas

eksploatowania materiału w wysokiej

temperaturze, w wyniku czego może

przekroczyć optymalną, bezpieczną gru­

bość. Konieczność wyeliminowania tych

zjawisk zmusza często do nanoszenia

na włókna warstw ochronnych, mogących

stanowić skuteczne bariery dyfuzyjne,

lub gdy i to nie skutkuje, stosować

kompozyty "in situ".

Niewielkie stosunkowo możliwości

sterowania ilością i rodzajem kompo­

nentu zbrojącego w kompozytach eutek­

tycznych, jak również niełatwa techno­

logia ich wytwarzania, powodują, że

materiałów konstrukcyjnych, produko­

wanych w warunkach przemysłowych,

poszukuje się wśród kompozytów wy­

twarzanych metodami pośrednimi, Kom­

Rys. 17 . Wpływ grubości war- pozyty te, w większości, mają dodatko­stwy granicznej na: a - wytrzy-małość wzdłużną, b _ wytrzy- wą cenną zaletę, jaką jest wysoka

małość poprzeczną kompozytu, sztywność i wytrzymałość właściwa. c - wytrzymałość po!ączenia na

granicy faz [29] Określenie "wytrzymałość właściwa"

oznacza tu doraźną wytrzymałość ma­

teriału odniesioną do jego gęstości R /l . Największą grupę i najbar-m

dziej perspektywiczną z punktu widzenia praktycznych zastosowań sta-

nowią wśród kompozytów włóknistych kompozyty z osnową aluminiową lub

magnezową (względnie ich stopów), zbrojoną wysokowytrzymałymi i żaro-

Własności kompozytów, •. 401

odpornymi włóknami metalicznymi i niemetalicznymi.

Kompozytarni opartymi na stopach lekkich najbardziej zainteresowany

jest przemysł lotniczy, astronautyczny i wojskowy, ponieważ zastosowa­

nie ich w różnego typu pojazdach, lub elementach wirujących, pozwala

na zmniejszenie ciężan1 tych elementów, w konsekwencji do oszczędności

energetycznych. Obniżenie ciężaru wyrobu jest możliwe, gdyż kompo­

nent zbrojący wprowadzany w miejsce osnowy powoduje szybszy wzrost

wytrzymałości materiału niż jego gęstości właściwej, np. silumin zbro­

jony włóknem stalowym o R - 1500-2000 MPa wykazuje wzrost wytrzy-m

małości w stosunku do siluminu niezbrojonego o 7a%, przy równoczesnym

wzroście gęstości, wynoszącym zaledwie 15%. Gdy stosuje się do zbroje­

nia włókna niemetaliczne (włókna węglowe lub włókna boru) , relacja ta

okazuje się jeszcze lepsza.

W latach siedemdziesiątych szereg firm USA opanowało przemysłową

produkcję blach i kształtowników zbrojonych włóknami ciągłymi. Osnowę

tych materiałów stanowią przede wszystkim popularne stopy Al, nato­

miast zbrojenie - druty berylowe lub stalowe (stal nierdzewna o R -m

- 3400-3650 MPa i ł> 0,2-1,5 mm), włókna boru, węglika boru lub borsik

(włókna boru pokryte węglikiem krzemu) oraz włókna węglowe. Kompo­

zyty te uzyskują bardzo dobre własności mechaniczne, np .• przy udziale

objętościowym włókien z węglika boru 40-50 % wytrzymałość stopu Al6061

osiąga wartość 1400 MPa [25], a przy udziale 50% włókien boru -

1140 MPa, natomiast moduł sprężystości wynosi około 240-400 MPa.

Według danych [ 26] w 1970 r. w konstrukcjach samolotowych już ponad

22 różne elementy wykonane z kompozytów (głównie Al-włókna

boru) przechodziły badania w lotach. Na rys. 18 pokazano przykładowo

niektóre elementy w konstrukcjach samolotowych, wykonywane z kompo­

zytu Al-włókna boru. Szczególnie ten kompozyt znalazł szerokie zasto­

sowanie w technice lotniczej, ponieważ umożliwił znaczne obniżenie cię­

żaru produkowanych z niego detali, sięgające 18-60 %, przy zachowaniu

bardzo dobrej sztywności.

Niezależnie od kompozytów dwufazowych Al-włókna boru, w prze­

myśle lotniczym stosuje się również zbrojenie heterofazowe, np. Al-włókna

boru + włókna stalowe. Zbrojenie włóknami stalowymi, układanymi zwykle

402 lzabella Hyla

Wspornik t'~~ kadłuba

8-1 IJdi element nośm; ~ 2 Lii!ii liSi kodtubo

li

Lotki sfabdizacl.Jine

~ rokiefl.J --=-ai l

OC -10 · ~ iebro pionu

Łopatki e tur bim;

B-1

~~ Hręqa kodtubONO

Ostana ~ fur bim.;

Rys . 18. Przykłady niektórych elementów kon strukcji samolotowych, wy­konywanych z kompozytu Al - włókna boru

Własności kompozytów ••• !.03

1

.................... ...... : 2 :•;";"~H:~mm l l l l l t z t i l l Zlłł l z z z z l l l l z l z z z z z z t l z l z l l l z l l l

=o===="='========~'3

'~,,~~'~''~łi~'~łl~'~ll~łl~'~łł~il~"~' --~':'~.~~-:·~~-~~-=-.~~-:-~~~~~-

---------------------------Rys. 19. Schemat makrostruktury materiału kompozytowego Al6061 -t-

+ (35 - 45%) włókna boru + S% włókna stalowe [43] : a - widok z góry, b - widok z boku; l - drut stalowy p 100 }lm, 2 - włókna boru ,P 50 pm,

3 - osnowa Al

prostopadle do włókien boru (rys. 19), stosuje się w celu zmniejszenia

anizotropii własności mechanicznych (podniesienie wytrzymałości w ki~­

runku poprzecznym do włókien boru) • Do tego typu zbrojenia używa się

zwykle włókien stalowych o wysokiej wytrzymałości, rzędu 3300 MPa,

która nie maleje zbytnio podczas pracy materiału w podwyższonej tempe­

raturze. W kompozycie, którego makrostrukturę przedstawiono schema­

tycznie na rys. 19, zastosowano do zbrojenia druty stalowe o Rm

- 3340 M P a U> l 00 pm) , których wytrzymałość , po wygrzaniu ma te ria łu

w 537° C przez lh, spadła tylko do wartości 3160 MPa. Zastosowane

zbrojenie heterofazowe nie tylko zmniejszało anizotropię wytrzymałości,

ale zapewniało również dużą sztywność materialu przy niskim ciężarze.

Przykładowo drzwi samolotu F-111 (firmy "Convair"), ważące w roz­

wiązaniu tradycyjnym 47,62 kg, wykonane z kompozytu dwufazowego

Al-włókna boru ważyły tylko 33,62 kg, a z kompozytu heterofazowego

Al-włókna boru + drut stalowy - 26,72 kg, przy zachowaniu wymaganej

sztywności. Jak widać, zastosowanie kompo zytu pozwoliło obniżyć ciężar

detalu prawie o 50%. Własności te czynią kompozyty materialami konku­

rencyjnymi w stosunku do materiałów dotychczas stosowanych w konstruk­

cjach lotniczych.

Podobnie bardzo dobre efekty uzyskuje się stosując blachy Al-wló,kna o

boru o krzyżowym ułożeniu włókien (0-90 ) na poszycie skrzydeł . O b-

niża to ciężar skrzydła o około 13%, a ogólny ciężar konstrukcji o 7.3% ,

co znacznie poprawia techniczną charakterystykę samolotu, ponieważ

404 lzabella Hyla

umożliwia zwiększenie pojemności zbiorników paliwa oraz ciężar udźwigu

bez obniżania szybkości i odległości lotu. Z kompozytu Al-włókno boru

wykonuje się także śmigła samolotów o pionowym starcie (firmy United

Aircraft) oraz przestrzenne konstrukcje prętowe.

Prowadzone są również próby stosowania kompozytów na bazie sto­

pów l e kkich do wytwarzania łopatek maszyn wirujących . Przykładowo

kompozyt Al6061 + 50% włókno borsik był wykorzystany na łopatki turbo­

wentylatora silnika IT-80 [27]. Jak informują autorzy [27] próby były

pomyślne. Stwierdzono, że zastosowany materiał wytrzymuje bardzo

dobrze trudne wa runki eksploatacyjne, a ponadto zapewnia wysoką sztyw­

ność łopatek, dzięki czemu zmniejszają się drgania konstrukcji i opory

aerodynamiczne.

Ze względu na bardzo zróżnicowane i złożone obciążenie poszcze­

gólnyc h przekrojów łopatek podejmuje się próby wprowadzenia również

zróżnicowanego rozłożenia fazy zbrojącej na długości łopatki. Osiągnąć

a

Rys. 20. Schematy propozycji zbrojenia łopatek: a - zbrojenie kombino­wane , l - włókna ceramiczne (wypełniające) , 2 - włókna metalowe (zbrojące) , 3 - strefa krytyczna z najwyższą temperaturą pracy, 4 -przekrój krytyczny, S - zamek łopatki; b - zmiany w konstrukcji łopatki; l - włókna metalowe (zbrojące) wypełniające warstwę zewnętrzną, 2 -

pusta prze strzeń, 3 - zmniejszenie przekroju poprzecznego

to można albo przez wprowadzenie zbrojenia heterofazowego (rys. 20a) ,

albo przez zmianę przekroju łopatki - z pełnego na zbliżony do powło-

Własności kompozytów, •• 405.

kowego (rys. 20b) . Wytwarzanie łopatek z kompozytów włóknistych me­

todami pośrednimi z ciekłą osnową wymaga pokonania wielu trudności

natury technologicznej, dlatego nie zawsze jest to opłacalne.

2. Kompozyty w elektrotechnice

Możliwości sterowania własnościami materiału poprzez odpowiednie

zaprojektowanie jego struktury umożliwia uzyskiwanie materiałów o okreś­

lonych własnościach fizycznych. Wykorzystywane jest to w różnych dzie­

dzinach, m.in. także w elektrotechnice. Można bowiem np. projektować X

takie dielektryki' których stała dielektryczna e mieściłaby się w okreś-

Tab. 3. Zestawienie niektórych wzorów wykorzystywanych do obliczania stałej dielektrycznej - E.k

Kształt fazy zbrojącej

sfery

sfery

dyski lub lamele

pręty, włókna

lub kry­ształy nit­kowe

Wzór (stała dielektryczna osnowy t: -c,;)

X X X

X X 3 V1 E2(tl- t 2)

€. k - f. 2 + 2 tx X

2 + El

V l (E ~ - t ;)( f.; X

X X + Ul) (. k - e: 2 + X

2€.1

v1(t ~-t. ;)(s e;_+ t.~) X X

3(tl + t2)

Nr rów- Zródło

n ani a

(33) [ 31]

(34) [32]

(35) [33]

(36) [ 32]

lonych granicach. Ponieważ dielektrykami takimi mogą być zarówno kom­

pozyty dyspersyjne, jak i włókniste, dlatego rozważania modelowe, po­

zwalające w konsekwencji doprowadzić do uzyskania niezbędnych zależ-

406 lzabella Hyla

ności funkcyjnych, realizowano dla różnie ukształtowanych elementów

zbrojących . Niektóre z uzyskanych wzorów końcowych zestawiono przy­

kładowo w tab. 3.

Przy braku pełnej .informacji o geometrii komponentu zbr.ojącego oraz

izotropii kompozytu bardziej celowe wydaje się określenie dolnej i gór­

ne j wartości stałej dielektrycznej ' f..x [34] +

X X

~k+- f-2 +

X X

E.k- - E.l +

gdzie

~'·;r

vl

1/ (c~ - [X) 2

v2

X 1/(t 2 -

X t l)

(X> f.X 2 l

+ Vzl3c; (37)

+ V1 /3t~ (38)

Przy statystycznej ocenie geometrii i izotropii struktury oraz zasto­

sowaniu rachunku wariacyjnego, skorzystać można też z zależności pro­

ponowanych w pracy M. Berana [35]. Przytoczone w pracy [35] za­

leżności ujmują m.in. ·składnik stanowiący o topografii zbrojenia, dzięki

czemu umożliwiają oddziaływanie na stalą dielektryczną również poprzez

ten czynnik strukturalny kompozytu.

Badania wykazały, że wzory służące do obliczania innych własności

fizycznych kompozytu, takich jak np. przewodnictwo elektryczne lub

cieplne, zachowują strukturę analogiczną do tej, jaką m ają przytoczone

powyżej zależności, służące do o b l~ c zania stalej clielektrycznej. Ogólnie

można bowiem stwierdzić, że wielkości te spełniają zależności funkcyjne

typu

a:. [ti/x), E/x)J- ~(x) , l

(39)

Własności kompozytów, •• 407

gdzie e ijk, Ej , i S' mogą reprez~ntować własności termiczne, elektrycz­

ne lub magnetyczne.

Przykładowo: E .(x) - gradient temperatury, p (x) - gęstość źródeł J

ciepła. Problem związany jest zwykle z wyrażeniem f..i/x) przy zdeter-

mino-wanym 9 (x) i najczęściej bywa rozwiązywany' szczególnie w odnie­

sieniu do kompozytów, ze statystycznego punktu widzenia.

Do szczególnych własności elektrycznych niektórych kompozytów

włóknistych zaliczyć należy możliwości wykorzystyw.ania ich w charakte­

r ze nadprzewodników. Już w 1918 r. Onne s stwierdził, że w bardzo

niskich temperaturach (np. dla rtęci jest to temperatura 4,1 K) różne

materiały, także i półprzewodniki, mają zdolność przenoszenia ładunku

elektrycznego bez rezystancji, a zatem d.o przenoszenia mocy elektrycz-

1'\ej bez strat, Na materiały takie istnieje duże zapotrzebowanie w prze­

myśle elektronicznym i elektrotechnicznym. Nadają się bowiem doskonale

do budowy elementów logicznych i pamięciowych komputerów, elementów

elektronośnych w silnikach, generatorach, transformatorach i przełącz­

nikach, a także elementów bardzo czułych przyrządów pomiarowych.

Możliwości praktycznego wykorzystania tego rodzaju materiałów wy­

magały przeprowadzenia szerokich badań poprzedzających, i to nie tylko

w zakresie poznania samej istoty zjawiska nadprzewodnictwa materiałów,

ale również jego . zależności od różnych czynników zewnętrznych. Prze­

prowadzone badania wykazały, że w stanie nadprzewodzącym obserwo­

wany w materiałach za.nik rezystancji nie jest skutkiem zniknięcia w ogóle

procesu rozpraszania, ale skutkiem specyficznego uporządkowania elektro­

nów, polegającego na łączeniu się pewnej ilości elektronów walencyjnych

w pary . Gdy jeden z elektronów pary zmieni swój pęd na skutek roz­

praszania, wówczas drugi elektron, w wyniku specyficznego oddziaływa­

nia łączącego elektrony w pary, również zmieni swój pęd tak, aby cał­

kowity pęd elektronów pozostał stały. Ponieważ wypadkowy pęd elektro­

nów nie ulega zmianie, prąd przepływa bez rezystancji: Nie wnikając

głębiej w teorie nadprzewodnictwa, z którymi można zapoznać się w pracy

[37], istotnym zagadnieniem, z punktu widzenia zastosowania tych ma­

teriałów w konkretnych rozwiązaniach konstl"Ukcyjnych, staje się infor­

macja o wielkości i rodzaju wpływu różnych czynników zewnętrznych na

przewodnictwo materiałóW!'.

408 lzabella Hyla

Można przyjąć, że jednym z najważniejszych czynników jest tem­

peratura, ponieważ własności. nadprzewodzące materiału ujawniają się

dopiero po przekroczeniu pewnej temperatury krytycznej Tkryt., różnej

dla różnych materiałów. Dla temperatur wyższych od Tk materiał ryt.

zachowuje swoje własności rezystywne, natomiast po osiągnięciu tempe-

ratury Tk jego rezystywność gwałtownie maleje do zera i pozostaje . ryt.

równa zeru w temperaturach niższych od Tk • ryt.

Drugim ważnym czynnikiem, mającym wpływ na własności nadprze-

wodzenia materiału, ponieważ może prowadzić do zniszczenia zjawiska

nadprzewodnictwa w materiale, jest pole magnetyczne. Nadprzewodni-k

umieszczony w polu magnetycznym o natężeniu większym od pewnej war­

tości krytycznej He traci własności nadprzewodności. Natężenie kry­

tyczne H zależy od rodzaju materiału oraz od temperatury. Zależność c

temperaturową krytycznego natężenia pola można określić związkiem

(40)

Wartość krytyczna natężenia pola magnetycznego określa wielkość prądu,

jaki może przepływać przez nadprzewodnik. Po przekroczeniu wielkości

tego prądu, zwanego prądem krytycznym, nadprzewodnik odzyskuje zwykłą

rezystywność. Zgodnie z hipotezą Silsbee za prąd krytyczny l c uważa

się takie natężenie prądu, które wytwarza na powierzchni nadprzewod­

nika pole równe polu krytycznemu. Dla przewodnika o promieniu a

(41)

W praktycznych zastosowaniach technicznych najbardziej interesujące

są takie nadprzewodniki, które mają wysokie temperatury krytyczne, duże

krytyczne pola magnetyczne i duże krytyczne gęstości prądu. Chociaż

zatem w układzie okresowym pierwiastków aż 25 ma własności nadprze­

wodników, to biorąc pod uwagę ich charakterystyki nadprzewodności oraz

własności przetwórcze, jedynie nieliczne z nich mogą znaleźć praktyczne

zastosowanie. Własności te można polepszać tworząc określone związki.

Własności kompozytów ••• 409

W ta b. 4 przedstawiono niektóre z materiałów nadprzewodzących wraz

z zaznaczeniem ich temperatury krytycznej. Spośród nich największe

znaczenie praktyczne znalazł związek NbTi, o dobrych własnościach

przetwórczych, oraz kruchy Nb3Sn, który z kolei daje prawie dwukrotnie

Tab. 4. Temperatury krytyczne nadprzewodnictwa niektórych związków międzymetalicznych i metali

Nb3

Sn Nb6sn

5 Nb

3Al v

3Ga v

3Si

18K 2,07 K 17,5 K 16,5 K 1 7 ,l K

NbTi Ta S n MoN V 4 K 4,48 K 3, 72 K 12,0 K 5,03

większy s kok temperaturowy niż NbTi.

Maksymalne pola krytyczne (w teslach, T) dla najlepszych półprze­

wodników są liczbami od l ,5 do 2 razy większymi od temperatur krytyc z ­

nych wyrażonych w stopniach Kelvina, a natężenia prądu stałego w nad­

przewodnikach twardych n rodzaju (nadprzewodniki u rodzaju z dużą • ) 10 -2

histerezą magnetyczną wywołaną obrobką mechaniczną są rzędu 10 Am •

Ponieważ niewielkie zaburzenie elektryczne, magnetyczne, mechaniczne

lub termiczne może doprowadzić nadprzewodnik do normalnego stanu re­

zystywności, przy tak dużych natężeniach prądu nastąpiłoby wręcz spa­

lenie przewodnika. Dlatego konieczne jest tzw. stabilizowanie materiału

nadprzewodzącego. Polega ono na tym, że nadprzewodnik, w postaci cie­

niutkich włókien, umieszcza się w osnowie z materiału dobrze przewo­

dzącego, np. miedzi, zapewniając równocześnie, poprzez odpowiednią

obróbkę mechaniczną, bardzo dobry kontakt pomiędzy komponentami. Przy

wystąpieniu zaburzeń w nadprzewodnictwie włókien metal osnowy przej­

muje przewodnictwo do czasu powrotu układu do stanu wyjściowego, dzięki

czemu unika się katastrofy spalenia nadprzewodnika.

Przewody nadprzewodzące mają strukturę wielewłóknową i wiełoży­

łową (rys. 21). Ich produkcja osiągnęła już duży stopień doskonałości

w niektórych krajach wysokąrozwiniętych i wytwarza się na skalę prze­

mysłową zarówno przewody okrągłe, jak i płaskie. W materiałach konfe-

410 lzabella Hyla

Rys . 21. Przekroje przewodu nadprzewodzącego

rencyjnych Swiatowego Kongresu Elektrotechniki [38] informowano o opa­

nowaniu produkcji przewodu taśmowego płaskiego 15-żyłowego, przewo­

dzącego prąd 5000A przy 5T. Zbudowano go z żyl o średnicy O, 7 mm

przeplatanych co 70 mm. W każdej żyle w osnowie miedziowo-niklowej

osadzono 600 włókien niobo-tytanu o średnicy 18 }lm. Stosunek przekro­

jów osnowy do nadprzewodnika wynosi l, 4, wytrzymałość na zerwanie -

1300 MPa, a umowna granica plastyczności - 900 MPa. Na tej samej

konferencji przedstawiciele firmy Hi tac hi, mającej duże doświadczenie w

produkcji przewodów nadprzewodzących, informowali o przystąpieniu do

produkcji przewodów o średnicy 0,74 mm zawierających 7 żył, a w każ­

dej 331 włókien niobu o średnicy około lO }lm, pokrytych warstwą nad­

przewodnika Nb3Sn. Temperatura krytyczna nadprzewodnika wynosi 17, 7K,

a prąd krytyczny 180A. Najmniejszy promień gięcia przewodu, nie naru­

szający struktury warstwy nadprzewodzącej, wynosi 25 mm. Jako prze­

wód "drugiej generacji", wyprodukowany w tej samej firmie, wymieniono

przewóa:-o średnicy 3, 36 mm, zawierający 5551 włókien niobowych o śred­

nicy ~ 12 }lm o dwóch warstwach nadprzewodzących. Prąd krytyczny wy­

nosił l, 5 kA. Również próby z wykorzystaniem innych nadprzewodników

były udane i rokują nadzieję na szersze zastosowanie.

Przewody te wykorzystuje się do budowy elektromagnesów, dających

indukcję w zakresie 5,5-15,5T, tworników turbogeneratorów wielkich

mocy (3GVA) o jednej parze biegunów, do uzwojeń elektromagnesów

wytwarzającyh "podu szkę magnetyczną", umożliwiającą pojazdom o noś-

Własności kompozytów ••• 411

ności 300 t osiąganie prędkości 500 km/h, oraz na mniejszą skalę sto­

suje się jako mikroprzewody dla techniki impulsowej i linie radiokomu­

nikacyjne (100-1000 razy mniejsze tłumienie) • Wykorzystywanie nadprze­

wodników wymaga jednak każdorazowo rozwiązania problemu pracy tych

układów w bardzo niskich temperaturach, wynikających z ich tempera­

tury krytycznej, oraz stworzenia odpowiedniego systemu zabezpieczeń

przed zniszczeniem urządzeń przy utracie nadprzewodnictwa. Wymaga to

bardzo nowoczesnych i złożonych rozwiązań technicznych.

Obok tych nowoczesnych dziedzin wykorzystywania kompozytów ma­

teriały złożone występujące w postaci kompozytów warstwowych znajdo­

waly już od wielu lat praktyczne zastosowanie zarówno w elektrotech­

nice, jak i w innych gałęziach przemysłu. Szczególnie przydatne były

w technice pomiarowej, gdzie wykorzystywany był efekt towarzyszący

współpracy, ściśle połączonych materiaiów różniących się współczynni­

kami przewodnictwa cieplnego lub magnetycznego. Są to znane w prak­

tyce przemysłowej termo- lub magnetobimetale, które dość szeroko wy­

korzystywane są albo w przyrządach pomiarowych (rys. 22) , albo w re­

gulatorach (rys. 23, 24) •

Wykresy na rys. 24 pozwalają ocenić wielkość obciążenia zewnętrzne­

go, niezbędnego do zrównoważenia odkształcenia termobimetalu w podwyż­

szonej temperaturze. W elektrot echnice kompozyty warstwowe, zwane

niekiedy elektrobimetalami, wykorzystywane są bardzo często na różnego

Spiralo z fermob/mefa/u

Rys. 22. Termobimetaliczna spi­rala zastosowana w przyrządzie

do pomiaru temperatury

Rys. 23. Element impulsowy przekaźnika

L,l2 l zabella Hyla

-20 L---7---'2,---3':----".L..___J5

Obciqzenie (N)

Rys. 24. Odkształcenia bimeta­lu pod wpływem temperatury i

obciążeń zewnętrznych

A tO'

~' Hiedż, .stop(/ miedzi, ł>lolftam .smbro i ;eqo ~topi/

f0 1 oraz kompazl/fil z O&noł>lf:! srebra

Fk.~ 1N ~ łJ' ~-

1011---------1 · ~ srebro , z toto i ich ~ 5fOPI./ l ~ ()-t------,~(' fN l ~ -J d~>~usfronm.; l l

() kontakt l l łJ.6 ze ztofa ~ l

l l l l

~~ l l L-~------i---~--~~

roJ to 1

Napięcie

Rys. 25. Materiały stosowane na warstwy kontaktowe elektrobime-tali w zależności od warunków pracy

rodzaju styki i połqc zen i a elektryczne. Składają się najczęściej z mate­

riału spełniającego rolę nośnika i nałożonej na niego warstwy dobrego

przewodnika e le ktrycznego . Na nośniki wykorzystuje się materiały mające

wysoką wytrzymałość mechaniczną (natychmiastową i czasową) , dobrą

przewodność i stabilność cieplną oraz szereg odpowiednich cech techno­

logicznych, takich jak: dobre w1asności przetwórcze, nie dające naprę­

żeń własnych, dobrą spawalność, łatwość łączenia z materiałem przewo­

dzącym prąd itp . Najczęściej stosowane nośniki to miedź i jej stopy,

różne typy brązów, mosiądz, żelazo lub stal nierdzewna X1 2CrNi188 a lbo

żaroodporna X15CrNiSi2520. Warstwy kontaktowe wykonuje się natomiast

z dobrych przewodników elektryczności, dobierając rodzaj materiału i

grubość warstwy w zależności od przewidywanych warunków pracy (rys.

25) • Grubość nano szonej warstwy kontaktowej zmienia się w zależności

Własności kompozytów ••• 413

od warunków pracy urządzenia. W technice silnoprądowej najczęściej uży­

wane są dzisiaj materiały zbrojone cząsteczkami o zestawie srebro-tlenki

kadmu (5-20% tlenków kadmu) •

3. Kompozyty o własnościach magnetycznych

Kompozyty umożliwiają uzyskiwanie magnesów o zróżnicowanych i o­

kreślonych z góry charakterystykach . Przykładowo, wielkością koerc ji

sterować można w dość szerokim przedziale poprzez zmianę wielkości

cząstek fazy dyspersyjnej, ziarn, a także wielkość naprężeń własnych.

Wysoka koercja trwałych materiałów magnetycznych jest osiągana przez

ograniczenie możliwości przesuwania ścian domenowych. Jeżeli zatem,

stosując bardzo małe średnice cząstek, wystąpi niejednorodność materiału

w bardzo małej skali, wówczas oddziaływanie na cząstkę będzie bliskie

oddziaływaniu domenowemu. Przyjmuje się, że cząsteczki o średnicy

mniejszej od 10-5 lub 10-6

cm można już traktować w calości jako jedną domenę. Oznacza to, że zmiana namagnesowania może się w tym przypad­

ku dokonać jedynie przez obrót całej cząsteczki, co wymaga przyŁożenia

znacznych pól magnetycznych, a nie przez przesuwanie ścian domenowych,

które można osiągnąć przy stosunkowo słabych polach magnetycznych.

Wielkość pola niezbędnego do przyłożenia zależy od energii anizotropii

materialu oraz od kształtu cząsteczek . Wyższe wartości koerc ji obserwu­

je się przy wydłużonych "cząsteczkach domenowych", których rotacja jest

utrudniona przez silną anizotropię energii demagnetyzacji. Taką formę ele­

mentów strukturalnych komponentu zbrojącego osiągnąć można w kompozy­

tach eutektycznych, przy niewielkich długościach włókien zbrojącyc h.

W kompozycie eutektycznym materiałów magnetycznych otrzymyw ane włó­

kienka o średnicach dziesiętnych części }lm tworzą jednodomenowe, nasy­

cone magnesiki o wyróżnionej osi i anizotropii magnetycznej.

Wymaganą alugość włókien oraz właściwą ich średnicę regulować

można w procesie kierunkowej krystalizacji gradientem temperatury i szyb­

kością przemieszczania się frontu krystalizacji. Przy ustalaniu tych pa­

rametrów należy jednak zwrócić uwagę na ich wpływ na stopień zdefekto-

414 lzabella Hyla

wania powierzchniowego fazy włóknistej, podobnie jak przy zmniejszaniu

cząstek fazy dyspersyjnej w kompozytach dyspersyjnych. Jakość powierzch­

ni cząsteczek może bowiem zadecydować o efekcie końcowym magnesowa­

nia, ponieważ w defektach może nastąpić zaburzenie układu i wywołać w

nich przeciwne namagnesowanie, które zmniejszy zamierzony skutek.

Mikromagnetyczna teoria zarodkowania przy defektach powierzchnio­

wych zakłada, że liczbę <iefektów na zamkniętej powierzchni rozważanego

obszaru traktowaną jako zmienną losową, określić można rozkładem

Poissona

p o

- vA - e (42)

gdzie ;> oznacza średnią liczbę defektów na jednostkę powierzchni.

Przyjmując, że średnica włókien decyduje o własnościach kompozytu,

równanie (42) dla wydłużonych elementów strukturalnych przyjmie postać

p o

(43)

Dużą zależność siły koercji od średnicy włókien potwierdziły także bada­

nia Liwingstona [39], prowadzone dla kompozytu Co-Au. Gdy średnica

włókien malała z l pm do 0,07 pm, siła koercji wzdłuż osi włókna rosła

z 2,2 do 26,3 kA/m. W innych z kolei pracach [40, 41], obejmujących

wyniki badań kilku kompozytów .eutektycznych: CoSb-Co; Y 2co

17-Co;

Sm2Co

17-Co, nie tylko potwierdzono ustal,me poprzednio zależności, ale

stwierdzono, że kompozyty włókniste stwarzają możliwości połączenia

bardzo dobrych własności mechanicznych materialu z jego wysoką prze­

wodnością elektryczną, lub też wysoką koercją magnetyczną. Niektóre

kompozyty włókniste, przy wystąpieniu w nich obok fazy magnetorezy­

stywnej fazy piezoelektrycznej, pozwalają uzy,skiwać ciekawę efekty wy­

wołane anizotropowym magnetooporem. Przykładem takiego materiału jest

kompozyt eutektyczny lnSb-NiSb (osnowa półprzewodnik ~ wl6kna prze­

wodzące) , w którym magnetoopór zależy od wielkości kąta między kie­

runkiem włókien, kierunkiem prą<iu elektrycznego oraz kierunkiem pola

magnetycznego. Stwierdzono L 42] ~ że przy zmianie kierunku pola magne-

Własności kompozytów ••• 415

tycznego w stosunku do kierunku włókien w zakresie od 0° do 90° ma­

gnetoopór dla komptzytu lnSb-NiSb wzrasta 18-krotnie. Jest to związane

z wystąpieniem efektu Halla powodującego odchylenie elektronów z ich

prostoliniowego toru. W płytce wykonanej z kompozytu eutektycznego

(lnSb-NiSb) przewodząca faza włóknista umożliwia przepływ prądu pod

wpływem napięcia efektu Halla, skierowanego przeciwnie do prądu pier­

wotnego i wywołuje dodatkowy opór !J. R proporcjonalny do natężenia pola

(44)

Zmianę oporu elektrycznego omawianego kompo zytu eutektycznego,

w zależności od kierunku przepływu prądu w stosunku do ułożenia fazy

włóknistej oraz kierunku pola magnetycznego, ilustrują wykresy na rys. 26.

Te własności kompozytu lnSb-NiSb wy-

korzystano w praktyce, wykonując z nie­

go tzw. płytki polowe . Płytki te stoso­

wane są w różnego rodzaju urządzeniach

do pomiaru pól magnetycznych, w bez­

kontaktowych potencjometrach oraz in­

nych bezkontaktowych urządzeniach kon-

troino-pomiarowych sterujących, jak

np. · w układach sterowania systemem ha­

mulcowym lokomotyw elektrycznyc_h. Znaj ­

dują również zastosowanie w niektórych

urządzeniach gospodarstwa domowego.

Płytkom polowym nadaje się często

~ 8 ~

c ~ 20

~. '5

~ -a . u ~

c

Rys . 26. Zmiana oporu elektryc z­nego eutektyki zorientowanej lnSb-NiSb w polu magnetycznym

kształt meandra (rys. 27) w celu WYdłużenia drogi przepływu prądu . Gru­

bość płytki kompozytu przyklejonej do izolatora wynosi około 25 pm, na­

tomiast szeroko ść ścieżek meandra - powyżej 60 pm [ 43] .

Innym przykładem wykorzystywania zróżnicowanej magnetostrykcji ma­

teriałów są tzw. bimetale magnetostrykcyjne . Płytka wykonana z dwóch

metali, ściśle ze sobą złączonych, posiadających różną magnetostrykcję,

po umieszczeniu w polu magnetycznym ulegnie wygięciu, i to tym moc­

niejszemu im większa jest różnica magnetostrykcji wzdłużnej komponentów.

41 6 lzabella Hyla

~~-- /// / -/ /

6 2

Rys. 27. Płytka polowa

To wyginanie się płytki wy­

korzystywane jest w technice

pomiarowej i regulacyjnej.

Istnieje dość duża liczba ma­

teriałów, z których można by

wykonać magnetostrykcyjny

bimetal, jednakże największe

znaczenie w tej dziedzinie

zyskały: czysty nikiel jako

kompone nt passywny (posiada

dużą negatywną magnetostryk­

cję wzdłużną) oraz stop że­

lazo-nikiel (udział masowy Ni ~ 30"-') jako komponent aktywny. Materiały

te łatwo dają się łączyć ze sobą, wykazują dużą antykorozyjność, wyso­

ki moduł sprężystości i dobre własności wytrzymałościowe. Wielkość

wygięcia magnetostrykcyjnej taśmy bimetalu przy zamocowaniu jednostron­

nym określić można z zależności

a przy zamocowaniu dwustronnym

2 3( 11 l - i\ 2) l

f - _ ____;:1:--:6=--s-=---

(45)

(46)

gdzie: f - wygięcie magnetostrykcyjne, ::\ 1

- wzdłużna magnetostrykcja

komponentu z większym pozytywnym wydłużeniem przy danej sile pola,

:A 2

- wzdłużna magnetostrykcja komponentu z mniejszym pozytywnym wy­

dłużeniem przy danej sile pola, l - długość swobodna płytki bimetalu,

s - grubość płytki bimetalu, a M - wygięcie magnetostrykcyjne właściwe,

H - siła pola. Dla bimetalu Ni-Ni+Fe obszarem dużej magnetostrykcyjnej

wrażliwości w wygięciu jest moc pola 100 Oe. Przy większ~j sile pola

wygięcie zbliża się asymptotycznie do wartości maksymalnej przy magne-

Własności kompozytów, ••

tycznym nasyceniu (rys. 28) • Naj­

większe osiągane wygięcia leżą w prze­

dziale 0,5-1,5mm.Jeśli wzbudzone wy­

gięcie jest hamowane, wówczas uzysku­

je się efekt oddziaływania siłowego

bimetalu magnetostrykcyjnego. Gdy 0.2

a f

/ l '111:

r

o

417

'odpręż. ~

{JfzełN. na zim.

tp:UTJ 11!111 III III li l l li

Nofeienie pola

współpracujące materiały mają bardzo

różniące się współczynniki rozszerzal­

ności cieplnej, może zaistnieć sytuacja

nałożenia się efektu termobimetaliczne­

go z efektem magnetostrykcyjnym. Na

ogól powoduje to zmniejszenie wygięcia

wraż.' ze wzrostem temperatury oraz

zwiększenie przy jej obniżeniu, zgod­

nie z zależnością

Rys. 28. Efekt oddziaływania siłowego bimetalu magnetostryk­

cyjnego

f -

2 aMHl

s .:!: --s-- (47)

Termoefekt można wyeliminować za pomocą niemagnetycznego termobi­

metalu wykorzystanego w charakterze kompensatora. Bimetale magneto­

strykcyjne znalazły zastosowanie w technice pomiarowej (efekt wygięcia)

i regulacji (efekt siłowy) • Najdogodniejszą postacią kompozytu, łatwą do

wykorzystania w praktycznych rozwiązaniach, jest produkowanie go w

formie taśmy. Przytoczone przykłady nie wyczerpują oczywiści zagadnie­

nia. Są one przykładem olbrzymich możliwości, jakie stoją przed ma­

teriałowcami w dziedzinie otrzymywania materiałów o własnościach spe­

cjalnych, z góry zaprojektowanych.

4. Literatura

[1] Ansell G.S.: Oxide dispersion strengthening, Proc. Second Bolton­

-Landing Conf., Gordon and Breach, red., New York 1966.

[2] Edelson B.J., BaldwinW.M.: Trans. ASM, 55 (1962).

418 lzabella Hyla

[ 3] Gurland J., Plateau J.: Trans. ASM, 56, (1963) •

[4] Portnoj K.J., Babisz B.N., Swietłow J.L.: Kompozicionnyje ma­

tieriały na nikielewoj osnowie, Mietallurgija, Moskwa 1979.

[5] Presto O., Grant N.J.: Trans. AlME, 221, ,}- (1961).

[ 6] Zwilsky K. M. i in.: Precipitation f:rom iron base alloys, Al ME

Symp. , Cleveland 1963.

[ 7] Weertman J.: J. Appl. Phys., 28 (1957) •

[8] Ansell G.S., we·ertman J.: Trans. AlME, 215, 5 (1959).

L9] Thomson E.R., Lemkey F.D.: Composite materiał, Acad. Press,

New York 1974, t. 4 .

[10] Bertorello H.R., Biloni H.: Met. Trans ., ], l (1972).

[11] Kossowsky R., Johnston W.C . , Show B.].: Trans. Met. Soc.

AlME, 245, 6 (1969).

[12J Cline H.E., Lee D.: Acta Met., 18, 3 (1970).

[13] Iwanow W .Je., Somow A.J., Tichonowskij M .A.: Zaszczitnyje wy-

sokotiempieraturnyje pokrytia, Nauka, Leningrad 1972.

[14] Eckemayer K.H., Hetzberg R.W.: Met. Trans.,_!, 10 (1970).

[15] Lawson W.H.S., Kerr H. W.: Met. Trans.,~. 10 (1971).

[16] Crossman F.W., Yue A.S., Vidoz A.E.: Trans. Met. Soc. AlME,

245, 2 (1969).

[17] Wołoknistyje kompozicionnyje matieriały, Mir,

Moskwa 1967.

[18] Rosen B. W.: AlAA Journal, ~, 11 (1964) •

[19] Hyla l. i in.: Materiały kompozytowe włókniste, sprawozdanie z

pracy badawczej MR l-22, 1979; nie publikowane.

[20] Kossowsky R.: Metal. Trans., _!, 7 (1970).

[21] Kraft R. W., Albright K.G.: Trans. AlME, 212, 3 (1958).

[22 ] Quinn R.T., Kraft R.W., Herzberg R.W.: Trans. Quart., 62, l

(1961).

[23] Pompe w., Schopf H.G., Schulrich B., Weissbarth J.: Ann. Phys.

30' 3/4 (1973) .

[24] Friedrich E., Pompe W., Kopiov l. M.: J. Mat. Sci., 2 (1974).

[25] Forest ].D., Christian J. L.: Metals Engn. Quart., 10, l (1970).

[26] Powers W .M.: SAMPE Quart., ~. l (1970).

Własności kompozytów • • • 419

[27] Kreider K.G., Breinan E.M.: Metal Progress, 97, 5 (1970).

(28] Hyla l., Śleziona J., Myalski J.: Kompozyty aluminiowe zbrojone

siatkami, sprawozdanie z pracy badawczej MR l-22 , 1981; nie

publikowane.

[29] Kopiew J .M., Obczinskij A.S.: Razruszenije mietałlow armirowanych

wołoknami, Nauka, Moskwa 1977.

(30] Halle D.K.: J. Mat. Sci., 11 (1976).

[ 31] Rayleigh J. W. : Phil. Mag., 34 (1972) .

l32] Van Beek L.K.H.: Progress in Dielectrics , 1 (1967).

[33] Bruggeman D.A.G.: Ann. Phys. , 24 (1965).

[34] Hashin Z., Shtrikman S.: J. Appl. Phys., 33 (1962) .

[35] Be ran M. : U Nuovo Cimento, 38 (1965) .

[36] Van Suchtelen P.: Res. Repts., 27 (1972).

[37] Kittel Ch.: Fizyka ciała stałego, PWN, Warszawa 1971.

[38] Woynarowski Z.: Przegląd Elektr., 10 (1978).

[39] Liwingston l.D.: J. Appl. Phys., 41 (1970).

[40] Glardon R., Kurt W.: J. Mat. Sci., 12 (1972).

[41] Sahm P.R., Hofer F., Anger Z.: Phys., 30 (1970).

[42] Bewer D.W,, Duwes P .E., Tiller W .A.: Mater. Sci. and Engng. ,,

.§ (1970).

[ 43] lwanowa W .S. i in.: Ali uroiniewyje spławy armirowanyje wołoknami,

Nauka, Moskwa 1974.

[44) Weiss H.: Met. Trans., 2 (1971).