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).
Top Related