Микродефекты в компонентах – в волокнах и в матрице

Дефекты в армирующих элементах. Наибольший интерес представляют тонкие носители прочности – волокна, в которых в процессе изготовления и эксплуатации могут возникать различные типы дефектов в зависимости от химической природы волокна.

Стеклянные волокна в процессе изготовления путем выдавливания через фильеры приобретают внутренние и поверхностные трещины, которые могут значительно снизить прочность хрупких волокон. Для того чтобы избежать влияния поверхностных трещин на волокна перед дальнейшей переработкой (скручиванием в нити, намоткой на бобины, плетением тканей) наносят тонкий слой замасливателя, поверхностное натяжение которого препятствует распространению трещины.

Углеродные волокна, наиболее перспективные вследствие их очень высоких потенциальных свойств, имеют сложное внутреннее строение, они состоят из вытянутых плоских фибрилл, разориентация которых (обычно средний угол разориентации составляет 5…10⁰) значительно влияет на прочность и продольный модуль упругости. Например, вытяжка в процессе графитизации волокон (повышение степени ориентации фибрилл вдоль продольной оси) увеличивает модуль упругости волокна в 10 раз с 70 до 700 ГПа. Это вызвано тем, что плоские углеродные кристаллы располагаются вдоль фибрилл, и в этом направлении действуют сильные валентные связи, а между собой фибриллы соединены относительно слабо. Поэтому в процессе изготовления волокон необходимо исключать возникновение таких дефектов, как разориентация фибрилл, нарушение структуры углеродных кристаллитов, что возможно контролировать, например, методами рентгеновской или растровой электронной микроскопии.

Борные волокна изготавливают осаждением из газовой фазы на вольфрамовую нить, при этом образуется борид вольфрама на границе раздела «нить-волокно», появляются радиальные трещины, что вызывает дробление волокон при растяжении. С ростом температуры процесса происходит рост кристаллов бора, что также может резко снизить их прочность.

Органические волокна (арамидные типа «Кевлар», полиэтиленовые и др.) имеют низкую прочность при сжатии и изгибе, когда происходит внутренняя потеря устойчивости полимерных цепочек, из которых состоят волокна. Поэтому в деталях, испытывающих сжимающие нагрузки, используют гибридные композиции органических и углеродных волокон. Технологии должны минимизировать наличие в волокнах таких дефектов, как скручивание, изгиб полимерных цепочек, обеспечивая равномерную структуру волокна.

Дефекты в матрицах. Разные типы матриц – полимерные, металлические, углеродные, керамические, стеклянные – обладают различными характерными дефектами, возникающими как в процессе изготовления изделия, так и при его эксплуатации.

В металлических матрицах основные дефекты связаны с примесными, интерметаллидными фазами, нарушением кристаллической структуры, пластическими деформациями вокруг армирующих элементов вследствие концентрации напряжений и с остаточными напряжениями, возникающими в процессе отверждения композита.

В полимерных матрицах возможны дефекты из-за неравномерного содержания компонентов – отвердителя, пластификатора, стабилизатора, красителя и др. Возможно также неполное удаление пузырьков газа, выделяемого при химических реакциях полимеризации. Для их устранения необходимо предусмотреть повышение давления в процессе изготовления изделия на стадии отверждения смолы при выделении газовой фазы.

Углеродные матрицы, получаемые из полимерных путем высокотемпературной карбонизации, имеют многочисленные поры, которые в дальнейшем на стадии формования готового изделия заполняются пироуглеродом из газовой фазы.

Поверхности раздела «волокно – матрица» – один из главных источников дефектов в полимерных и металлических композитах, приводящих к снижению прочности (особенно – длительной и усталостной). В композитах с полимерной матрицей основные дефекты на границах раздела – расщепления, непроклеи, промежуточные соединения, переходные слои. Около поверхностей раздела в композитах с металлической матрицей возникают интерметаллидные включения, дополнительная осажденная фаза, микропластичность из-за концентрации напряжений вблизи армирующих элементов. Все эти дефекты служат зародышами для трещин, постепенно развивающимися при циклическом или длительном нагружении, что приводит к снижению долговечности изделия.