УДК 666.798
Ключникова Н.В.
ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КОМПОНЕНТАМИ ПРИ СОЗДАНИИ КЕРАМРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова
В данной работе рассматриваются проблемы совместимости между компонентами при создании керамометалличеких композиционных материалов.
Ключевые слова: металл, глины, совместимость
In this article problems of compatibility between components when creating ceramo-metallic composite materials are examined.
Key words: metal, clays, compatibility.
Эффективное совмещение металлической и неметаллической составляющих разного состава в определенных количественных соотношениях позволяет достичь не только значительной экономии металла, но и создает возможность изменения в нужном направлении физико-механических и радиациоонозащитных свойств готовых материалов. В качестве неметаллической составляющей используют крупные гранулы и мелкодисперсные фракции горных пород и минералов, отходы стекольной и керамической промышленности.
Во всех композитах выбор компонентов обусловливается получением их оптимальной физико-химической совместимости для достижения заранее заданных свойств. При этом рассматривают поверхность раздела компонентов как самостоятельный элемент структуры, в котором протекают процессы диффузии, растворения, перераспределения смесей, образования новых химических соединений. На границе раздела формируется связь между компонентами, через которую передаются нагрузки. Прочностью данной связи определяется уровень свойств композиционного материала.
С физической точки зрения процесс соединения однородных и разнородных материалов сводится к образованию связей (слабых или прочных) между атомами, составляющими поверхность контактирующих тел. Согласно существующим суждениям процесс образования связи представляют как топохимическую реакцию, протекающую в две стадии:
1. Стадия возникновения и развития физического контакта.
2. Стадия химического взаимодействия.
Прочность соединения на контактной поверхности определяется величиной энергии межатомных связей, величиной площади физического контакта и длительностью контактирования. Длительность контактирования, с одной стороны, должна быть достаточной для возникновения прочных адгезионных связей между компонентами, а с другой – ограничиваться началом интенсивного химического взаимодействия, которое может привести к образованию хрупких прослоек, способных снизить прочность композита.
В соответствии с теорией макрогетерогенных композиционных материалов [5, с. 48] качество, структура и свойства композиционных материалов определяются следующими факторами:
1) физико-химическими и механическими свойствами, включающими свойства металлических матриц и армирующих компонентов, характером взаимодействия между ними в процессе изготовления и эксплуатации;
2) геометрическими – размеры и форма компонентов, их соотношение, размеры готового изделия;
3) технологическими – технология изготовления композита, предварительная обработка поверхности составляющих композита.
В литературе [1, с. 81] встречаются отрывочные и противоречивые сведения о влиянии всех трех групп факторов на свойства композитов. В частности, рассматривается влияние на прочность композитов обработки поверхности неметаллической составляющей поверхностно-активыми веществами или веществами-добавками – растворами неорганических и органических кислот, щелочей, жиров, жидкого стекла и других и делается вывод (на основе экспериментальных данных по исследованию прочностных характеристик), что эти вещества не только очищают поверхность, но и способствуют образованию химических связей (т. е. тонкий слой поверхностно-активных веществ на границе образует своего рода тонкую прослойку, через которую происходит взаимодействие разнородных материалов), и увеличению прочности границы раздела и всего композита в целом
Как следует из изучения сведений о взаимодействии расплавленных металлов с неметаллическими материалами, смачивание является важным условием для получения прочных соединений.
Более высокую прочность имеют соединения, в которых образование связи предваряется смачиванием. Исследования [1, с. 82] показали, что часто смачивание предваряет растворение и развитие химических реакций между активными по отношению друг к другу компонентами. В ходе смачивания на стадии установления физического контакта расплава с гранулами неметаллической составляющей (физическая адсорбция) группы атомов жидкого расплава, попадая в сферу действия атомов кристаллической решетки твердой неметаллической составляющей, располагаются в некотором кристаллографическом порядке, определяемом минимумом величины межфазной энергии. Если процесс смачивания завершается образованием физического контакта с участием поверхностных обратимых адсорбционных процессов, то в этом случае наблюдается явление обратимого смачивания, что приводит к получению малопрочных соединений [4, с. 93].
В работе [2, с. 42] для оценки смачиваемости применялся метод покоящейся капли, который обладает некоторыми преимуществами: принципиальная простота, небольшое количество жидкой и твердой фазы, простая форма твердого тела. За критерий смачивания принимают величину краевого угла α, который связан с энергией поверхностного натяжения уравнением Юнга для жидкой капли, лежащей на твердой подложке :
cos α = (E2–E3)/E1,
где Е1, Е2, Е3 – энергии поверхностного натяжения на границах раздела жидкость – газ, твердое тело – газ, твердое тело – жидкость, соответственно.
Для растекания жидкого металла по твердому неметаллическому телу необходимо, чтобы угол был меньше 90º, то есть
Е1 cos α > 0
Таким образом, смачивание твердой поверхности жидкой фазой определяется соотношением энергий поверхностного натяжения на границах раздела данной системы. Величина этих энергий и их соотношение зависят как от природы взаимодействующих материалов, так и от температуры воздействия.
Для лучшей смачиваемости неметаллической составляющей расплавом металла ее поверхность обрабатывают специальными веществами – добавками, среди которых: растворы солей щелочных металлов, растворы оксидов Ca, Se, Cr, P, растворы солей минеральных и органических кислот [1, с. 84]. Например, в том случае, когда обрабатывающим материалом является раствор щелочи едкого натра, то твердость изделий на 30-40% выше твердости изделий полученных из чистого алюминия. Это связано со способностью дисперсных систем обработанных в данном случае едким натром, влиять на структуру обволакивающего металла, уменьшая его зернистость и увеличивая не только твердость, но и другие механические характеристики композита. В работе [6, с. 352] установлено, что очень сильной поверхностно–активной добавкой является кислород, и даже малые примеси кислорода эффективно снижают краевой угол смачивания расплавом металла оксидной поверхности. Подобные эффекты наблюдаются, в частности, при изготовлении керметов, где связь между металлом и керамикой происходит путем образования твердых растворов, когда в жидком металле образуются оксиды, изоморфные основному оксиду керамики [3, с. 112].
Анализ смачиваемости металлическими расплавами различных неметаллических материалов показал, что возможно использование алюминия, олова, свинца и их сплавов в качестве металлической составляющей, а изученных неметаллических материалов (керамика, мрамор, гранит, стекло) в качестве неметаллической составляющей при изготовлении композитов.
В области высоких температур получения композиционных материалов большинство компонентов являются термодинамически неравновесными, способными вступать между собой в различные реакции на границе раздела фаз. Физико-химические явления, происходящие на поверхности раздела компонентов довольно сложны и в настоящее время еще плохо изучены. В основном, идет накопление экспериментальных данных по взаимодействию между наиболее перспективными металлами (алюминиевыми, магниевыми, никелевыми, титановыми и некоторыми другими) и волокнами – борными, углеродными, стеклянными. Причем, следует отметить, что в настоящее время наблюдается некоторое затишье в изучении композиционных материалов, а пик этих исследований приходится на 70 – 80-е годы, когда было получено большинство данных и начаты некоторые теоретические разработки как у нас в стране, так и за рубежом.
Применение в качестве неметаллической составляющей глинистых масс позволяет значительно повысить прочностные свойства композиционных материалов при их эксплуатации при высоких температурах. Кроме того, глинистая составляющая способна в процессе обжига изделия привести к протеканию физико-химических реакций между компонентами, что позволяет получить материал с заданными эксплуатационными характеристиками. Необходимо отметить широкое распространение в природе, доступность и дешевизну применяемых глин по сравнению с другими оксидными системами, которые используют для получения керамометаллических материалов.
Использование алюминиевого наполнителя позволяет непосредственно придать композиционному материалу уникальные свойства этого металла, так как алюминий в высшей степени технологичен, хорошо воспринимает пластическую деформацию, позволяет изделию работать в условиях растягивающих и изгибающих напряжений, ударных нагрузок. Хотя алюминий малопрочен, но способен образовывать намного более прочные композиты, которые обладают не только более высокими физико-химическими и механическими характеристиками, но и имеют небольшой вес.
Кроме того, наряду с хорошими эксплуатационными и техническими характеристиками данные материалы являются частью существующих экосистем, поэтому композиты на их основе в наибольшей степени будут соответствовать современным экологическим требованиям.
Именно такие материалы позволят осуществить их массовое использование в вопросах разработки и получения новых керамометаллических композитов.
Литература:
1. Болдырев A.M., Орлов А.С., Рубцова Е.Г. Особенности формирования соединений между металлической матрицей и неметаллическим заполнителем при создании металлобетонов / Вестник отделения строительных наук. –.М.: 1999. – вып. 2– С. 81-88.
2. Болдырев А. М., Орлов А. С., Рубцова Е. Г. Исследование смачиваемости металлическими расплавами минеральных заполнителей в металлобетонах. // Сб. докл. междун. конф. "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений". – Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1997. – ч. 1. – С. 42 – 44.
3. Найдич Ю.В. Контактные явления в металлических расплавах. – К.: Наукова думка, 1972. – 197 с.
4. Композиционные строительные конструкции / Ю.Б.Потапов, В.П.Селяев, Б.М.Люпаев. – М.: Стройиздат, 1984. – 100 с.
5. Композиционные материалы. / Под ред. Л. Браутман, Р. Крок; Пер. с англ. – М.: Мир, 1978. (Поверхности раздела в металлических композитах; Т. 1 / Под ред. А.Меткалф).
6. Потапов Ю. Б., Соломатов В. И. Метоны – эффективные металлобетонные композиты. // Пятые академические чтения РААСН "Современные проблемы строительного материаловедения". Воронеж, 1999. – С. 350 – 354.