XI. WŁASNOŚCI KOMPOZYTÓW l PRZYKŁADY lCH

Krzepnięcie metali i stopów t. VII
PL l SSN 0208-9386 l SBN 83-04-01500-5
Os s o l i neum 1984
lzabella Hyla
XI. WŁASNOŚCI KOMPOZYTÓW l PRZYKŁADY lCH PRAKTYCZNEGO
WYKORZYSTANIA W TECHNICE
Gwałtowny
jący
jak
się
zarówno
również
materiałów,
techniki na
trzymałości
zytowych
koncentracją
wzmożoną
kompozytowych w wieku XX,
wyraża­
prac naukowo-badawczych w tej dziedzinie,
produkcją
oraz praktycznym wykorzystaniem tych
pozostaje w ścisłym związku z rosnącym zapotrzebowaniem
materiały
można
mogą
o niekonwencjonalnych
dużej
oraz
kompozytowego
nalnego
materiałów
rozwój
stabilności
odpowiednio
należy
być
cieplnej.
zaprojektować .
zwrócić uwagę
uzyskane albo jako
cech komponentów, albo jako
własnościach,
Własności materiałów
W projektowaniu
na fakt,
kompo-
materiału
że własności materiału
własności
własności
wysokiej wy-
sumaryczne
fi-
określonych
wynikowe lub strukturalne. W pro-
jektowaniu własności sumarycznych (np. gęstość, ciepło właściwe itp.)
w obliczeniach
własności końcowej można
mieszanin. Zgodnie z
nią
na
ogół posługiwać
daną własność materiału
się
regułą
dla kierunku uprzywi-
lejowanego (np. w kompozytach włóknistych jest to kie runek włókien, w
kompozytach warstwowych - kierunek
określić
z
zależności
równoległy
do warstw)
można
typu
(l)
natomiast dla kierunku
zależności
typu
prostopadłego
do kierunku uprzywilejow anego z
378
lzabella Hyla
(2)
gdzie V - udział objętościowy poszczególnych komponentów (faz) •
Podany
widać,
przykład
możliwości
oceny
własności
wzajemnego
uwzględnia,
sumarycznych nie
oddziaływ ania
komponentów. Efekt ten nawłasności
tomiast wykorzystywany jest w tej grupie kompo zytów, których
zaliczane
na
są
do
przykładzie
działywanie
własności
Można
wynikowych .
sygnałów wejścia
wyjścia,
i
wyjaśnić
to
obrazujących
wejścia
x-y
X zostaje umieszczony w fa-
sygnał wyjścia
cony w
wy do fazy
w
Rys. l. Schematyczny model kompozytu o własnościach wynikowych
cx.. do fazy
~
może
muje
się
~
być
Y ma
Z, wówczas otrzy-
materiał,
który reaguje na
zrealizowane za
sprzężenie
· możli­
przekształcić się
i tam
X-Z. Przekazanie
może być
to
przekształ­
sygnał wejścio-
jako
sygnał wyjścia
sygnał
Y fazy
sygnał
pewien fizyczny
wość przejścia
wyjściowego
wzajemne od-
ex.. (rys . l), w której
zie
nego rodzaju mechanizmów:
schematycznie
składowych.
komponentów lub faz
Jeśli
X
sygnału
pomocą róż-
mechaniczne, elek-
tryczne, optyczne, magnetyczne, cieplne lub chemiczne . Uzyskane
ności
wynikowe
mogą być
wymi, ale o zmienionym
żenia.
teriał
Przykładem
całkowicie
natężeniu,
kompozytu o
składający się
jak
nowe,
względnie
uzależnionym
własnościach
od
zgodne z
włas­
wyjścio­
współczynników
wynikowych
może
być
sprzę­
ma-
z fazy magnetostrykcyjnej i piezoelektrycznej. Kom-
pozyt taki bez pomocniczego
źródła prądu przekształca
sygnały
magne-
tyczne w elektryczne (rys. 2) •
Zakładając,
układu
że
współczynnik
sprzężenia
strukturalnego
rozważanego
wynosi K , a współczynnik sprzężenia mechanicznego K , efekt
1
2
Z wyrazić można zależno ś cią
końcowy
dZ
dX - Kl . K2 •
dZ
dY
dY
dX •
(3)
Własności
Reakcja x-l.j
fJ
UlUJ~
l
Reakcja >(·z
Reakcja lj- z
H
379
kompozytu, • •
l
a
hrrrri
Rys. 2. Efekt X-Z na
przykładzie
zycie
Należy zaznaczyć,
go
działania
że niezbędnym
warunkiem
prawidłowego
i oczekiwanepołączenie
tego dwufazowego kompo zytu jest dobre, mocne
obu faz, które
Ponieważ
wyjściowych
efektu magnetoelektrycznego w kompo-
włóknistym
umożliwia
przenoszenie
właściwości
wydłużeń sprężystych
wynikowe kompozytu
zależą
wych w celu uzyskania
możliwych zestawień
materiałów
właściwości
możliwość poglądowego
zestawianych komponentów, zachodzi
wskazania potencjalnych
od
bez strat ,
cech
o szczególnych
materiałów wyjścio­
własnościach
fizycz-
nych. Propozycje prognostycznego zestawienia ujmuje tab. l. Z przedstaTab . l . Prognozowane właściwości wynikowe kompozytów [36]
Właściwości
komponentu l
X-Y
l
W łaś ci wości
komponentu ll
Y- Z
2
Właściwoś ci
wynikowe
kompozytu
X- Z
3
piezooporność,
piezomagnetyczne
magnetooporowe
opór
akustyczny
obrót polaryzacji w wyniku mechanicznego
piezomagnetyczne
efekt Faradaya
piezoelektryczne
piezoelektryczne
elektroluminiscencja
efekt Kerra
piezoluminiscencja
obrót polaryzacji w wyniku mechanicznego
magnetostrykcyjne
piezoelektryczne
efekt magnetoelektryczny
odkształcenia
odkształcenia
380
lzabella Hyla
Cd. tabeli l
l
3
2
magnetostrykcyjne
efekt Nernsta-Ettingshausena
magnetostrykcyjne
piezooporowe
efekt See hecka
efekt magnetooporowy
quasi-efekt Halla
dwójłomność wywoła­
dwójłomność wywołana
elektre strykcyjne
elektrestrykcyjne
e lektroluminiscencja
na naprężeniami
piezomagnetyczne
piezooporowe fotoprzewodnictwo
magnetycznie
efekt elektromagnetyczny
e lektrostrykcyjne
dwójłomność
dwójłomność wywołana
sprzężenie pomiędzy
wywo-
łana naprężeniami
efekt fotomagnetyczny
fotoprzewodnictwo
fotoprzewodnictwo
magnetostrykcyjne
elektrestrykcyjne
e lektrelumini scenc ja
s c yntylacyjne
fotoprzewodnictwo
s c yntylacyjne
fluorescencyjne
fluorescencyjne
fluorescencyjne
układów
wionych w niej
tyc e
przemysłowej,
ten c ja lnych
t ego
li c zną
grupę
i
pozostałe
stanowią
w
że
ograniczyć
oraz
się
żarowytrzymałe
przykłady możliwości
fizycznych
materiałów
na razie jedynie
o ich
do pewnych
i
stanowią
żaroodporne
po-
obecnie tak
własnościach
przykładów,
bliższego
wskazówkę
kompozytowych. Pomimo
kompozytowe
chcąc mówić
z grupy kompozytów odlewniczych do
bra no niektóre
przemiennik długości
fali (podczerwieni światło widzialne)
przewodnictwo wywołane
promieniowaniem
(detektory)
detektory promieniowania
dwustopniowa fluores c encja
materiałach
jakościowo materiały
materiałów,
wa niach, trzeba
elektrycznie, niodu. lacja światła
fotostrykcyjne
tylko nieliczne dotychczas wykorzystano w prak-
możliwości tkwiących
ilościowo
r
i E (quasi-efekt
Gunna)
W
i zastoso-
związku
z tym
scharakteryzowania wy-
kompozyty konstrukcyjne
wykorzystania w technice niektórych
własności
kompozytowych.
l. Kompozyty konstrukcyjne
Kornpozyty konstrukcyjne zalicza
nościach
się
na
ogół
sumarycznych, Jest to bardzo liczna i
do kompozytów o
różnorodna
włas­
grupa ma-
Własności
teriałów.
Zróżnicowanie
381
kompozytów •••
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
materiałów
wszystkich
łościowe.
łych
mują
wskaźniki
ich wysokie
wytrzyma-
Dodatkową cechą kompozytów konstrukcyjnych żarowytrzyma-
żaroodpornych
i
są
tej grupy,
się także
jest to,
że
podczas pracy w
własności
ich dobre
podwyższonej
mechaniczne utrzy-
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
cząstek różnego
twarda, trudnotopliwa faza w postaci
międzymetalicznych
lub niemetalicznych, o
średnicy
związków
typu
nie
przekraczającej
l ).!fi·
Efekt umacniania
dzięki
wszystkim
materiału fazą
hamowaniu przez
dyspersyjną
cząstki
opis mechanizmu umacniania omówiono
łach,
nie
będzie
umocnienie
szeniu
dyspersyjną
oraz we
podwyższonych
wzroście
od
aż
następnie
w innych rozdzia-
jednak
podkreślić,
przede wszystkim w
jego
i ich
cząstek
przy ich równomiernym
osnową
zbrojoną
wytrzymałości
podczas pracy
mechanizm zniszczenia kompozytu, za-
rozłożeniu.
cząstkami,
średni c y
określającego wzajemną
W kompozytach z
rozpatrując
z punktu widzenia teorii dyslokacji,
odległość
plastyczną
mechanizm umocnienia
wyróżnić można
padki: przypadek, w którym dyslokacje wyzwolone w procesie
ceń
podwyż­
do temperatury równej 0,8 T m.
udziału objętościowego,
twardymi
że
zwiększeniu twardości
mechanicznych zestawianych komponentów,
cząstek
materiału
Należy
plastyczności,
stabilności
temperaturach,
własności
się
przejawia
na granicy
Efekt umocnienia, a
leży
szczegółowo
przede
Ponieważ
ruchu dyslokacji.
on ponownie przytaczany.
wytrzymałości
materiału
w
fazą
już
się
uzyskuje
dwa przyodkształ­
plastycznych przecinają cząstki (rys. 3b), oraz przypadek drugi,
w którym dyslokacje
uginają
się
wokół cząstek,
wokół cząstek zamknięte pierścienie
i
mijając
je,
pozostawiają
dyslokacji, zgodnie z mechanizmem
382
lzabella Hyla
Rys. 3.
Przejście
dyslokacji w kompozycie dyspersyjnym: a b - przecięcie cząstki
ugięcie
wokół cząstki,
Orowana (rys. 3a) •
Cząstki ulegające przecięciu
wnoszą wkład
przez dyslokacje
materiału
przez
podwyższenie naprężenia
cia oraz dodatkowy
wk ład
energetyczny
mocnienie
cząste k.
powierzchniowej dzielonych
mocnienie
k acji
związane
W drugim przypadku natomiast, usię
odd ziaływaniem pętli
spowodowane
wstających wokół cząste k.
noważenia o ddziaływania
Dodatkowe
pętli
naprężenie,
dyslokacji
następującej
w upłynię­
ze w zrostem energii
jest z ograniczeniem przemieszczania
między cząstkami
Motta-Nabarro, z
związany
plastycznego
linii dyslo-
dyslokacji po-
niezbędne
określić można,
do zrów-
zgodnie z
teorią
zależności
3
X
z . G
t'
w której z V
p
-
średnia
o
d
liczba
pętli
k iej osnowy. Powstaje pole
naprężeń,
2
(4)
p
d
wpływem
cząsteczki ograniczają odkształcenia
w
p
- średnica
p
osnowy, b - wektor Burgersa.
W tej grupie kom pozytów pod
napręże ń
v2
dyslokacji wytworzonych
udział objętościowy cząste k,
sprężysto ś ci
de
b •
ośrodku
naprężeń
sprężystym,
cząstek,
przyłożonego
G
o
-
moduł
obciążenia,
znacznie bardziej od nich
twar-
mięk­
hydrostatycznych, podobne do pola
a le przy znacznie
pr;z:ewyż szających częst o
wokół cząstek,
wyższych wartościach
od 3 do 3, S-krotnie
naprężenie
na
Własności
granicy
plastyczności
kompozyt ó w •••
ściśniętej
nie
osnowy. W
naprężeniowo-odkształceniowych następuje
co s tanowi
również część
kompozytu
można określić
z
[i] granic
6e
warunkach
umocnienia kompozytu,
plastyczności tego typu
zale ż ności
d
G b
-
powstałych
umocnienie osnowy przez zgniot,
składową całkowitego
Zgo dnie z propozycjami Eshby
383
+ 0,85 2
o
a ) qnn (!t) '
~c lo-
(5)
p
w kt órej 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 odle gło ść między cząsteczkami;
(G)
l
2
gdzie V i -
udział objętoś ciowy cząstek
Przy dalszym
się
wzroście
w wyniku niestabilnego
"bo
1
obcią ż enia
płynięcia
(7)
o promieniu ri.
materiału
zniszczenie
osnowy.
r -- ' V - - - - -- - - --
Obciążenie
rozpoczyna
graniczne i od-
- - - -- - - r - - ,
o.og
1 • Cu ·Cr ( ~
mmJ
2 - Cu · Fe(; 0.03 mm}
3 - Cu · Cr f ~ O04 mm}
ID';l
15
Q1
Ql
Q3
D.5
1/X
Q1
5
1
(mm -
1
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, 0 4 mm) , )l - średnia swobodna droga między cząstkami wzmacniającymi [2]
384
lzabella Hyla
s
t§
q4
•
<:i
"'
~
~ 0,3
o
8
s ~·
~,
1t1
0,1
l
~
o
O,Oł
0.08
O.f2
Rys. S.
cząstek
O.>ł
(Vp)
Zależność
współczynnika umocnienia odkształceniowego
działu objętościowego cząstek zbrojących V [2]
p
k s ztałcenie
ni c y
0,20
0,16
Udzial obit:lościOH<J
przy tym
plastyczności
i
obciążeniu pozostają
współczynnika
rys. 4 na poziom granicy
udzi a łu objętościowego
zależności
w prostej
umocnienia osnowy n. Jak
plastyczności można wpływać
fazy
zbrojącej
i
wielkość
od gra-
widać
poprzez
cząstek.
jej
n od u-
z
wielkość
Fotwier-
d z a j ą to wyniki badań eksperymentalnych (rys. 4 i 5) , w których stwierd zono,
że
im mniejsze
średnice
cząstek
i
większy
słuszne
wy , tym efekt umocnienia lepszy. Jest to
ich
że
c ząsteczkami może
dzy
ku
Przy zbrojeniu
ż onego obciążenia,
c ząstek,
kompozytu,
cząstkami
się
zwiększone
pęknięć,
Końcowe
przyczynić
silne plastyczne
plastyczne
pod
odkształcenie
[3],
się
techniczpomię­
do spad-
efekt umocnienia.
pękającymi
kruchymi,
kim odcinku. Jak wykazały badania
stek
niwecząc
zniszczenie kompozytu rozpoczyna
wywołującego
względami
zbyt cienka warstewka osnowy
szybko ulec uszkodzeniu i
wytrzymałości całego
objętościo­
jednak tylko w pew-
nych granicac h zmian, podyktowanych z jednej strony
nymi, z drugiej strony faktem,
udział
wpływem
się
od
przylo-
pękania
osnowy na niewiel-
po pęknięciu pewnej liczby czą­
odkształcenie
osnowy powoduje rozwieranie
a to z kolei prowadzi do powstawania w materiale porów.
zniszczenie kompozytu
odkształconego materiału między
następuje
porami.
na skutek przerwania silnie
Własności
W kompozytac h
nie twardych
większych
mają cyc h kruchą osnowę
cząstek,
się
sprowadza
podwyższenia
jej
wytrzymałości.
wytrzymałość
i
jego pracy w
podwyższonych
względ-
pr zyczyn iając
dyspersyjnej fazy
się
do
zbrojącej
na
jest szczególnie widoczny podczas
temperaturach. Wprowadzenie fazy dysper-
podwyższa
syjnej do osnowy
w osnowie,
Wpływ
twardość materiału
rola pla stycznych ,
do ograniczenia rozmiarów naj-
mikropęknięć
defektów lub
385
kompozytów •••
wytrzymałość
jej
twardość
i
w wysokich
temperaturach (rys. 6, 7), zwiększa stabilność tych własności oraz
podwyż sza
wytrzymałość
pełzanie
(rys. 8).
procesu
pełzania
teriałów często
na
Przebieg
tych
ma-
jest oceniany
.z punktu widzenia mechanizmów
dyslokacyjnych,
w
określaniu
szczególnie
szybkości
pełzania
zania dla okresu
400
J.
Weertmana
przy zbyt niskich
niezdolnych do
wokół
kacji
[7]
naprężeniach,
ugięcia
dyslo-
cząstek,
Rys. 6. Temperaturowa zależność wytrzyna rozciąganie 6r i granicy plastyczności cf0 , 2 stopów n~klowych umacnianych dyspers:fjnie (wartości uśrednione) [ 4]
małości
ale w
dostatecznie wysokich temperaturach, dyslokacje
według
stek
określić
można
z
przepełzają wokół czą-
Szybkość pełzania
mechanizmu samodyfuzji.
takiego przypadku
'""'
c·c>
u-
stalonego.
Według
-
peł­
ustalonego dla
zależności
(8)
w której
6 -
przyłożone naprężenie,
wy, b - wektor Burgersa, d
T
temperatura
ugięcia
dyslokacji
średnica cząsteczki,
samodyfuzji osnostała
k -
działania większych naprężeń,
wokół cząstek
s kupisk dyslokacyjnych,
zania
-
współczynnik
Boltzmana ,
bezwzględna.
Natomiast w przypadku
do
p
D -
pozostałych pętli
szybkość
wraz z utworzeniem
pełzania uzależniona
wystarczających
pętli
jest od
i
płaskich
przepeł­
oraz dyfuzji wakansów do linii dyslokacji, lub ad
386
lzabella Hyla
ustaloną
niej. Dla tego przypadku
szybkość pełzania określa
t ust. •
4
21L6 LD/d
w którym
o'
o
osnowy, L -
6
p
3
równanie
k T
o
(9)
'
moduł sprężystości
-
odległość między czą-
steczkami (pozostałe oznaczenia jak
Rys. 7. Wpływ fazy dyspersyjnej
na twardość kompozytów Cu-Si02
i Cu-A1203 w podwyższonych temperaturach [5]
w (8)) • Przy braku uaktywnienia
zwykłych źródeł
dyslokacji G.S.
Ansell [8] proponuje korzystanie z
zależności
L ust
typu
- Aexp( -Q + B c5) /kT,
w której A zbędna
stała,
wyjścia
do
Q - energia nie-
dyslokacji poza
granice ziarna, B 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]
wysoka
nież
o
2 3
względem
na prę żeni a.
Duża
stabilność własności
mecha-
nicznych kompozytów dyspersyjnych
znajdują
one zastosowanie w
róż­
do wyrobu szeregu elementów, które musi ce-
żarowytrzymałość.
Przykładowo
w
przemyśle
technicznym jako odpowiedzialne elementy stykowe stosuje
Cu/Al
równa
w wysokich temperaturach powoduje,
gałęziach przemysłu
chować
stała,
pochodnej energii aktywacji
że
nych
(10)
elektro-
się
kompozyty
i Cu/BeO, których twardość (zatem w sposób pośredni rów-
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 kompozytów, których
różnego
osnowę
stanowi srebro. Elementy stykowe
pracujące
w
rodzaju odłącznikach, wyłącznikach lub przekaźnikach muszą być
wy konane z
mat e riałów,
które oprócz odpowiednich
własności
elektrycznyc h
Własności
muszą charakteryzować się
żywotnością,
warunkach
przy
zmiennych
'-......:
itp.), sta-
własności
oraz dobrymi
techno-
tale,
nie
Dlatego
do
widłowej,
\ ,........._
mogą
Cu ( ASifol
6IJ
'-......
ich stopy.
zapewnienia
bezawaryjnej
urządzeń sięgnięto
tych
-.......
1'\
110
tylko czyste me-
również
a le
t'\
i---
to wymagania wy-
sokie, którym nie za w s ze
sprostać
-
wymiarów
cechami
Są
logicznymi.
i
'\
f10
1-
łością
Cu/A/10, ,
Cu/8e0
(częste wyłącza-
przeciążenia
nia,
długą
temperaturowo-ob-
ciążeniowych
387
kompozytów •••
pra-
~
Aa llł>O
~ t\..
\
NOne
na
an
roi
i(kg/a/trwa,
--
naDimo)
600
pracy
Rys. 9. Zale żność twardości niektórych
kompozytów dyspersyjnych od temperatury
do kom-
pozytów.
Podobne potrzeby ma
nia
szkła występują
temperaturze nie
ani
zmieniać
twardości.
i
szklarski. W
pod
obcią żeniem
so
mi) • są wykonywane z kompozytów
~
~
20
dyspersyjnych platyna-tlenki cyr-
li
wyższają
· osnowy,
cząstki
wytrzymałość
ilustrują
te pod-
materiału
najlepiej wykre-
sy przedstawione na rys. 10. W
ani swoich wymiarów,
~
tł
:~
órJ
-2!:l
~
...
~ lO
Pt .
:t
1.500
tO '
przemyśle
czym
sięgnięto
z
energetycznym,
(silniki)
osnową
lotni-
czy kosmie znym
natomiast po kompozyty
niklową .
do topie-
Ta -
kie elementy (np. łóaka z filiera-
konu .• Jak znacznie
urządzeniach
bo.w i em elementy, które nawet w bardzo wysokiej
mogą
wytrzymałości
przemysł
Nikiel i jego
1()0
2
5
to'
·c
:l
5
czas
1~J
2
Rys. 10. Czasowa wytrzymałość platyny oraz kompozytu platyna-tlenek
cyrkonu w podwyższonych temperaturach
stopy z dodatkiem chromu lub molibdenu umacniane dyspersyjnie
z najlepszych
uważane
są
materiałów żar owytrzymałych.
w obecnych czasach za jeden
Dlatego wykonuje
się
z nich
388
lzabella Hyla
m.in.
tur
łopatki
turbin,
w obszarze bardzo wysokich tempera-
ciągłych .
włókniste
1.2. Kompozyty
Materiały
zyty
pracujących
kompozytowe konstrukcyjne to przede wszystkim kompo-
włókniste.
Wśród
biorąc
nich,
są
zarówno te, które otrzymywane
również
ciągłego
jak np. metoda
nia w
ciekłym
uwagę
podwyższonych
przeznaczone do pracy w
zyty "in situ", jak
pod
kompozyty odlewnicze
temperaturach, stosowane
metodami
bezpośrednimi,
otrzymywane metodami
są
tzw. kompo-
pośrednimi,
takimi
odlewania, metoda infiltracji, metoda zanurza-
metalu o snowy, czy wreszcie odlewania rotacyjnego. Do
kompozytów otrzymywanych metodami
bezpośrednimi
zalicza
się
przede
wszystkim kompozyty eutektyczne .
Kompozyty otrzymywane przez
charakteryzują
tycznych,
nałymi
własnościami
dzo dobrych
wysoką
wraz z tym
dużą
żarowytrzymałych,
charakteryzująca
ciowymi.
Względy
większości
w
ponieważ wykazują wyjątkowo
się
model struktury kompozytu
się uporządkowana
bardzo dobrymi
ekonomiczno-surowcowe
faza o
włóknistego,
własnościami wytrzymałoś­
ograniczają
wybór zasadni-
związków węgliki
ności,
np.
wyróżniają
typu MC
wysoką temperaturą
wytrzymałością.
Własno ści
peratura.ch otoczenia
Moduł sprężysto ści,
się
topnienia,
Fazą
tych
szeregiem korzystnych
włas­
trwałością chemiczną
wysoką
i
mechaniczne kompozytów eutektycznych w tem-
podlegają
nych grupach kompozytów
[9] .
reguły związek międzymetaliczny. Wśród
bywa natomiast z
prawu
addyty":'ności,
podobnie jak w in-
włókni stych.
zgodnie z rys. 11,
określa
·
kształcie włók­
czego składnika osnowy właściwie wyłącznie do niklu i kobaltu
zbrojącą
do bar-
mechanicznych. Kierunkowo krystalizo-
pozwalają uzyskać
w którym na tle osnowy pojawia
nistym,
są
i dosko-
struktury podczas pracy w wysokiej temperaturze, a
stabilność własności
wane eutektyki
sto pów eutek-
stabilnością termodynamiczną
eksploatacyjnymi. Zaliczane
materiałów
stabilność
si ę
kierunkową krystalizację
równanie
(11)
Własności
kompozytów •••
389
(12)
da'
Ek
u
o
- E V + -d-- V ,
ww
c o
(13)
- moduły spręży­
o
stości włókna i osnowy, V , V
w
o
- udziały objętościowe włókien i
da' o
osnowy, ~ - szybkość umocgdzie E
w
, E
nienia osnowy.
M
02
Konieczność
u w zglę dnienia
0.6
O.S
Odkszfatceme e(%)
członu reprezentującego wpływ
snowy
zależy
o- Rys. 11. Wyk re s rozciągania kompozytu Al-CuAlz o zróżnicowanej strukturze [10], l - obszar sprężysty,
krystaliU - obszar pseudosprężysty
od zestawienia kom-
ponentów oraz
szybkości
zacji stopu. Przy
dużych szybkoś-
ciach krystalizacji obserwuje
kroczeniu pewnej
wielkości,
się
wzrost
modułu
którą można uznać
się
danego kompozytu, rozpoczyna
Ekll,
jednakże
wartość graniczną
za
Wiąże
spadek E ku'
po prze-
się
dla
to ze zmia -
nami strukturalnymi, jakie niesie szybka krystalizacja, w wyniku czego
obok fazy
ciągła
o
uporządkowanej ciągłej
długości
i E
kryt.
ta faza
l
:l:<
lk
ryt.
i
określają maksymalną wartość
E
Oznaczając udział objętościowy
Vw
-
V..;",
się
odkształceniu
l kryt. -
przez
pojawia
w
€.
fazy
krytycznym ek
obciążenia,
a
kryt.
· ciągłej
Ekll
jakie
ryt.
może
nie-
• Lk
ryt.
przejąć
;>,
w
a+;>.
't'
moduł sprężystości
uporządkowana
faza
(14)
w
przez
V..;",
a fazy dyskretnej
można wyznaczyć
z
zależności
[10].
Ek - E V ' + E /V - V 'f [1 u w w
w w
w
E
'l:' l
~a+
[ 'a
>) J'
w
(15)
390
lzabella Hyla
przy
ć
kryt.'
lub
V'
w
przy
E-' ~ f. k
~
prowadzenie produżej
powstawanie
liczby
, powoduje znaczne obniżenie moryt.
dułu sprężystości Ek • Ponieważ jednak długość krytyczna lk
fazy
11
ryt.
zbrojącej zależy również od granicy plastyczności osnowy 'l:'
(14) , zakrótkich, o
długości
(16)
powodujące
kierunkowej krystalizacji,
włókien
•
równań, niewłaściwe
Jak wynika z przytoczonych
cesu
ryt.
l
lk
o
tern
podwyższając naprężenie
pozytu,
można
styczne
zwiększyć efektywną
poprzez
't'
o
długość
obróbkę cieplną
komponentu
kom-
zbrojącego.
Przy-
kładowo wygrzewanie kompozytu Al-CuAl
w temperaturze 510° C przez
2
2h, a następnie starzenie w temperaturze 165° C przez 9h, prowadzi
do zmniejszenia
długości
cieplną, cio wartości lk
~ 6
i\
ryt.
w
sprężystości kompozytu, ogólnie rzec z
Moduł
addytywności,
styczności,
zależy
~ 50 i\
przed
ryt.
w
po obróbce [10].
krytycznej od lk
jednak
nie udaje
ona w
dość
współdziałających
spotkać można
przechodząc
się
stwierdzić
znacżnym
faz i w
propozycje
do
biorąc,
określania naprężeń
tej
prawidłowości.
obróbką
podlega prawu
na granicy pla-
Okazuje
się,
że
stopniu od charakterystyk mechanicznych
związku
z tym dla
różnych zależności
różnych
grup kompozytów
funkcyjnych do obliczania
naprężenia na granicy plastyczności. Przykładowo R. Kosowsky [11] dla
kompozytu Ni-Cr proponuje
zależność uwzględniają c ą
zarówno prawo mie-
sza nin, jak i równanie Halla-Petcha w odniesieniu do faz
kompozytu
l
6
ek
-
( 6
e0
+ k
o
t.
--z) V o
o
+ (a e
w
składowych
Własności
• ( 6
e
V
o
+ 6
o
e
w
391
kompozytów •••
(17)
V )
w
gdzie
er e
o
6 e
6
k
,
plastyczności
- granica
plastyczności włókien,
- granica
plastyczności
w
ek
0
- granica
osnowy,
kompozytu,
kw - stale Fetcha dla osnowy i
włókien.
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 skład1
nik k
v-r •
w w
s prę żys te,
nicę
1
A.-1.
występujące
plastyczności.
we
włóknie
Ponieważ
zastosowania dla wszystkich
nych propozycji
należy rozumieć naprężenie
w
w momencie, gdy osnowa osiąga gra-
, a pod symbolem 6e
odnośnie
do
jednak równanie Halla-Fetcha nie znajduje
układów,
istnieje w literaturze szereg in-
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
osią włókien zbrojących
zgodnym z
dytywności ,
na
ogół
korzysta
się
z prawa ad-
tzn.
+
(18)
(l - V ) •
6
o(t.w )
w
Jak wykazały jednak badania [16, 17], równanie to nie dla wszystkich
kompo zytów znajduje potwierdzenie w wynikach
Przypuszczalnie
wiąże
się
to ze
badań
zróżnicowaniem
eksperymentalnych.
mechanizmów zniszcze-
nia dla różnych zestawów komponentów. Równanie (18) najczęściej znajduje potwierdzenie w kompozytach
włókno
zbrojące,
chociaż
mających
i w tej grupie
plastyczną
można
spotkać
osnowę
i kruche
od niego
odstępstw a
(np. Al-CuAl , (Co, Cr) -(Cr, Co) c .
2
7 3
Przy kruchych osnowach i kruchych włóknach zniszczenie kompo zytu
następuje
w wyniku nagromadzenia krytycznej liczby ognisk zniszczenia,
392
lzabella Hyla
do których zalicza
materiału.
się
pęknięte włókna
Ponieważ materiały
lub inne defekty makrostruktury
kru c he 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
wytrzyma łoś ci
następują cej
z
zależności:
l
6
w której
6~
rzutu, V w -
-
rk
l
6' (me) m • (lk
w
ryt.
/d ) m
w
(19)
Vw '
- teoretyczna wytrzymałość włókna, m - parametr rozudział objętościowy włókien,
dw -
średnica włókien,
l
l
gdzie
2
l) arc h
kryt.
4> - stała,
G
o
l + ( l - <P )]
2 ( 1 _f) ,
- moduł sprężystości osnowy , E
w
(20)
- moduł sprę-
żys toś ci wł ókn a .
Jednak że
małości
korzystanie z modeli statystycznych w obliczaniu wytrzy-
kompozytu jest niecelowe,
gdyż
trudno
ocenić
rozrzut w
okreś­
lonej sytuacji. Autorzy pracy [16] zaproponowali więc pewien model
uproszc zony , który
liczba
pęknięć
fazy
uwzględnia
fakt,
że
włóknistej rośnie
cego w ob szarze zniszczenia
znajdują
w
i po
s ię
miarę obciążania
osiągnięciu
elementy o
kompozytu
obciążenia niszczą­
długości
l < lk
ryt.
. Do obliczenia wytrzymałości takiego komporyt.
zytu eutektycznego autorzy [ 16] proponują zależność
oraz o
długości
l > lk
(21)
w której V' i (V
- V ' ) - udział objętościowy włókien o długości odw
w
w
powiednie większej i mniejszej od lk
, l i l - średnie długoś c i włóryt.
+
kien, kt órych długości l > lk
i l < lk
, odpowiednio.
ryt.
ryt.
Własności
Kiedy natomiast kompozyt
włókna,
nego
składa się
wywołane może być
odchylenie od równania sumacyjnego
plastyfikującego,
powaniem efektu
ności włókna
plastycz-
z plastycznej osnowy
zbrojącego
procesem wielokrotnego szyjkowania komponentu
wą .
393
kompozytów •••
polegającego
oraz
zwiększonej
na
wystę­
plastycz-
w kompozycie w porównaniu z tą, jaką posiada poza osno-
Dla tyc h przypadków brak jednoznacznych propozycji co do postaci
równań umożliwiających
końcowy zależy
efekt
komponentów oraz ich
się
z kolei nie da
obliczanie
dużym
w
wytrzymałości
kompozytu,
zdolności
do umocnienia przez
jednoznacznie
odkształcenie,
żarowytrzymałe,
materiałów
tych
małość;
nikiem
co
przewidzieć.
Kompozyty eutektyczne to jednak przede wszystkim
odporne i
ponieważ
oddziaływania
stopniu od wzajemnego
istotne zatem
są własności
materiały żaro­
i zachowanie
w wysokich temperaturach, Bardzo dobra
się
żarowytrzy­
jaka charakteryzuje szereg kompozytów eutektycznych, jest wys tabilności
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
mogłyby
zainicjować
muszają
ponadto takie
zależności
ale
krystalograficzne i strukturalne, które
jednostkową energię
również
stabilność
granicy
w wysokich temperaturach (rys. 12) ,
struktury przy
kich temperatur. Badania procesu
powierzchniową
własności wytrzymałościowe
Zapewnia to nie tylko dobre
obciążeniach krótkotrwałych
przy
chemicznego, które
procesy dyfuzji. Warunki wzrostu kierunkowego wy-
powodują możliwie najniższą
międzyfazowej.
potencjału
długotrwałej
pełzania
pracy w polu wyso-
kompozytów eutektycznych
[20-22] wykazały, że szybkość pełzania ustalonego w tych kompozytach
można opisać
zależnością
typu równania Arrheniusa
(22)
Wartość wykładnika
nergia aktywacji
cesie
pełzania.
zależy
n dla niektórych
od
wielkości udziału
Fazy strukturalne
w inicjowaniu i rozwoju
materiałów
pełzania.
poszczególnych faz w pro-
uczestniczą
Oprócz
ujmuje tab. 2, E -
bowiem w
wielkości
różnym
stopniu
energii aktywacji
394
lzabella Hyla
pełzania mogą wywier ać
na przebieg proce su
równie ż
istotny w.
ływ
zmiany mikrostruktury .
działając hamują c o
Granica rozd zia lu faz,
na ruch dyslokacji w o snowie, przyczynia
się
do wytworzenia określonej substruktury dy s lok acyjnej, której towarzyszy pewne pole naprężeń.
Naprężenie
pełzania.
na przebieg charakterystyk
analogię
Za le żno ść
wy-
trzymałości na rozciąga­
nie od temperatury dla
niektórych kompozytów w
zestawieniu z żarowy­
trzymałymi stopami: S MAR-M200 i 6 - TRW
VIA [ 4
a - kompozyty
o strukturze płytkowej:
l - Ni-NiMo, 2 - Ni -Ni3Nb, 3 - Ni-Ni Ti,
3
4 - NiAl-Ni 3 Nb; b -kompozyty o strukturze słup­
kowej: l - Ni-NbC, 2 NiAl -Cr, 3 - Ni+20%Co+
+10%Cr+3%Al-TaC, 4 Ni 3 Ta- Ni Al
3
J;
zależał
fazy dyspersyjnej
cząs tek,
nicy
ale
mo żna przyjąć,
dzy nimi,
od
odległości mię­
że
podobnym para-
odległość między płyt­
tach eutektycznych jest
kami lu b
włóknami
wn ętrzn e
wywołane
pełzania
Naprężenia
- A •
taką
lić można zależnością
substrukturą
6. - k
1
Jak
f.,
o
szybkości
zwiększając
materiał
okreś­
szybkość
Zmaleje
też
(23)
krystalizacji na-
odległość między
elemen-
szybkość pełzania
(23) .
Metale
i sto p
widać,
a
l
~ równ.22 )
dla
Ni-Cr
~
3-5
uzyskać
;ł,
o snowy równaniem
Tab . 2 . Wykładnik " n" w równaniu pełzania ustalonego
niektórych materiałów [ 25]
n
we-
A(6- k.A-"2)nexp[-Q/(RT)]
będzie równie ż malała .
Materiał
śred­
metrem wymiarowym substruktury w kompozy -
rozdrobnienie struktur, w wyniku czego
tami faz >.
c ząsteczkami
nie tylko od
również
Wraz ze wzrostem
stępuje
Pr zez
do kompo zytu dys per sy jnego, w któ-
rym ruch dyslokacji hamowany
R ys . 12.
wpływ
to wywiera z kolei
szybkość
o mniejszej
7
~
21
- 7
krystalizacji stopu eutektycznego,
szybkości
pełzania .
można
Własności
kompozytów . . •
395
Badania długotrwałej wytrzymałości kompozytów eutektycznych (Ni Al3
o
-Ni Nb i Ni/Ni Al-Ni Nb) w temperaturze 1100 C przy naprężeniu 1203
3
3
-160 MPa wykazały, że stabilność termiczna tych kompozytów dotyczy w
głównej
kształtu
mierze
tury . W
płytkach
i rozmiarów fazy Ni Nb, a nie
3
Ni Nb stwierdzono bowiem
3
całej
występowanie
mikrostruk-
wydzieleń
fazy
Ni Al, a na granicach rozdziału pojawienie się epitaksjalnych siatek
3
dyslokacji.
Wpływanie
dużą
szybkość
na
szybkość
pełzania
kompozytu eutektycznego poprzez
krystalizacji ma bardzo ograniczony zakres . Istnieje bo-
wiem pewna prędkość krystalizacji, zwana prędkoś c ią krytyczną, której
nie powinno się przekraczać, jeżeli chce się zachować dobre własności
wytrzymałościowe
kompozytu. Przekroczenie
stalizacji prowadzi do powstawania, obok
wej fazy
zbrojącej,
również
obszarów o
szybkości
uporządkowanej
kształtach
zdefektowaniu, co ma istotne znaczenie w pracy
temperaturach. Przy
zbrojącej
wytrzymałość
Głównym
materiału
większym
na
udziale
pełzanie
krytycznej kry-
płytkowyc h
materiału
objętościowym
słupko­
formy
o
większym
w wysokich
takich form fazy
kompozytu eutektycznego maleje.
obszarem wykorzystywania kompozytów eutektycznych ja ko
osnową
konstrukcyjnego, a szczególnie kompozytów z
lub jego stopów,
pozostają
z niklu
obecnie jedynie nieliczne elementy konstruk-
cyjne w silnikach (łopatki, dysze) o bardzo wysokich parametrach pracy
i
dużej odpowiedzialności.
turbinowych gazowych w
które
prz e jmują
Są
to przede wszystkim te elementy silników
urządzeniach
uderzenie
gorących
przewyższającej cz ęsto temper aturę
Są
tra nsportowych i energetycznych,
gazów spalinowych o temperaturze
topnienia stopów
żar o wytrzymałych .
podejmowane również próby wytwarzania łopatek turbinowych (rys . 13),
które co prawda
pracują
silników odrzutowych,
nież
itp.,
w o wiele
jednakże
są
niższych
bardziej
temper aturach
obciążone.
niż
Stosuje
łopatki
się
rów-
kompozyty do taki ch elementów, jak komory spalania, ekrany cieplne
ws zędzie
tam, gdzie tradycyjne
materiały
nie
mogą
pracować
z po-
wodu zbyt wysokiej temperatury.
Do pracy w
jących
zyty
podwy ższ onych
na ogól temperatury 500
włókniste,
temperaturach,
o
jednakże
nie przekracza-
C, wykorzystywane są również kompo-
otrzymywane metodami
pośr ednim i.
O graniczenia tern-
396
lzabella Hyla
peraturowe w tej grupie kompozytów stanowiących czę s to układy
dalekie od termodynamicznej równowagi, niejednokrotnie
są
związane
z problemami w zaoddziaływ a nia
jemnego
kompon e ntów. Oc e nia
się
·Kys . 13 . Łop a tk i wykon a ne : a- ze stopu, b,
c - z kompo zytów eutektycznyc h
j e , szc zególnie w
odnie s ieniu do materiałów
konstrukcyjnyc h,
jako zjawisko negatywne,
ponie w aż
prow a d zą
do utworzenia
pomiędzy
komponentami trzeciej
reguły
fa zy w po s ta ci wa r s twy granicznej, która z
jest twarda oraz
powodują c obniżenie własności wytrzymałościowych
kru c ha ,
kompozytu.
Zgodnie z [ 23] do teoretycznej oceny zależności wytrzymałości kompozytu od
grubości
układ trój s kładnikowy:
i plastycznej osnowy.
nej, jako
W
ciała
nawiązaniu
nicznej
włókien
zbrojących,
Można przyjąć,
kruchego,
do
można rozpatrywać
warstwy granicznej
będzie malała
własności ciała
można opisać
że
kruchej warstwy granicznej
wytrzymałość
warstwy granicz-
wraz ze wzrostem jej
wytrzymałość
kruchego,
zależnością
kompozyt jako
grubości.
warstwy gra-
Weibulla
l
6 .
l
w której
(f
o
-
wytrzymałość
nicznej dla pewnej
- 6
r
f..
o
(24)
(v o /V.)
l
związku międzymetalicznego
małej objętości
v , (3 -
warstwy gra-
współczynnik rozkładu
o
Weibulla , charakteryzujący rozrzut wytrzymałości (dla ciał kruchych
{?l - 2ł 4) , V . - objętość warstwy granicznej.
l
Dla cylindrycznego
ciowy
kształtu
warstwy granicznej jej
określić można zależnością
udział objętoś-
Własności kompozytów,..
397
2
V. - '1t -r Lv /V ,
l
w
o w
w której r
i L -
w
promień
ciowy warstwy granicznej i
(25)
długość włókna,
i
V. i V
l
w
-
udział objętoś-
włókien.
Zgodnie z zależnością (24) wytrzymałość warstwy granicznej rośnie
wraz ze zmniejszeniem jej grubości (lub V.) i po przekroczeniu pewnej
l
grubości
krytycznej
odkształcenie
wyższyć odkształcenie
zniszczenia warstwy €. ir
może
prze-
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
ocikształcają się
metaliczne warstwy graniczne
sprężyście aż
do zniszcze-
nia, a zatem
E. .
-
6 .
lr
-
znaleźć można
nicznej vi
lr
(27)
/E . ,
wspomniany krytyczny
l
udział objętościowy
warstwy gra-
zależności
z
c
2
V.1 - (v o V w /L'1rr w ) (eS'o /E 1. E. wr
l .
(28)
c
Dla V.
< Vi
l
trzymałość
6k
rl
-6k
materiału
kompozytu przy
r1
w której f!k
na z
zniszczenie
c
reguły
+V . [A. [6.
rl
1
1
.
-
1
się
od
pękania włókien
rozciąganiu można wyznaczyć
(t
)
wr
wytrzymałość
mieszanin,
zaczyna
6wr
-6
o (E
)
]+(1-A. )[<S.
1
wr
1
z
(E.
i wy-
zależności
)
-6
wr
]}•(29)
wr
kompozytu bez warstwy granicznej obliczowytrzymałość włókien,
398
lzabella Hyla
Rys. 14. Spękanie warstwy granicznej [ 19 J
żenie
w warstwie granicznej i osnowie dla
kształceniu niszczącemu włókien,
parametr
osnowę
V
0
-
odkształcenia
udział objętościowy
charakteryzujący udział objętościowy
i odpowiednio (l - A.)
l
równego od-
warstwy
osnowy, Ai -
"wrastającej"
w
- zmiana średnicy włókna.
Dla V >V. zniszczenie rozpoczyna
i
lc
się od zniszczenia warstwy granicznej, która ulega
ne segmenty o
spękaniu
na oddziel-
określonej długości
Li
(rys. 1 4 ). Pękanie warstwy granicznej
może
kanie
Rys. 15. Odwarstwianie komponentów na granicy rozdziału [19]
wywołać
włókien
przedwczesne
w wyniku koncentrac ji
naprężeń
w
pęknięć.
Dla jeszcze
bości
wierzchołkach
warstw
pę­
li cznych
większych
może wystąpić
gru-
ponadto
odwarstwianie drutów w wyniku działających naprę ż eń
stycznych (rys. 15) . Analizę rozkładu naprę że ń z wią­
zanego z drobieniem włókien opracował Pompe [24]. Wykazał on, przy
.1metrowego modelu Weissbarth 'a [23], że długości
wykorzystaniu jednop;
segmentów drobienia l .
zmniejszają
się
ze w z rostem
grubości
warstwy.
l
W rezultacie wzrasta koncentracja
do obr• . <:!nia
wytrzymałości
n a prężeri
we
włóknach,
kompozytu zgodnie z równaniem
co prowadzi
Własn oś ci
E.
6
- V
kr
11
w
6
[
V __1_ d
-t
wr
iE w
399
kompozytów •••
l - th '7 .l./ '7 .l .
----~--~~----~1~1~~1~1--~---
J
l + (Vl
.E./
Vww
E )(th? l.l./
'7 l . )
l
l
l l
wr
(30)
-V. [A.6 (E1
+(1- A. )6
)
o
1
1
wr
]+
wr
'7 .- l -
gdzie
długość
odcink a, na którym p rze kazywane jest
l
między włóknem
i
o bciążenie
wa r st wą graniczną .
W przypadku gdy podczas d r obienia wa rstwa granic zn a zo s t an ie poniż
dzielona na segmenty k rótsze
li
ok r eślone zale żn ością
. ,
m1n
V.
6.
2 --l- ~
V
't' .
w
(gdzie 't' . -
wytrzymałość
ś cinani e p oł ączenia
na
l
( 31)
l
warstwy gr anicznej z
włóknami),
się
- rozpo czyna
spę k anej
odwarstwianie
Chociaż jednocześnie
zmniejsza
się
koncentracja
wię k szego.
odwarstwianie prowadzi do jeszcze
pozytu, którego
6
kr
V
-
111
w
6
wr
wytrzymałość
+ V
o
d
wars t wy granicznej od
w tym stadium
- V . [(l
·
o(f,
)
1
na p rężeń
spadku
we
włókien .
włóknach,
wytrzymało ś ci
kom-
opisać można zależnością
- A ) d
1
wr
wr + A.1 6 o( E )
wr
J.
(32)
Równania (29), (30) i (32) umożliwiają graficzne przedstawienie
zależności wytrzymałości
dla
obliczeń
rys . 16.
i
teoretycznych, a
Wpływ
poprzeczną
kompozytu od
grubości
także
grubości
wyników eksperymentalnych, ilustruje
warstwy granicznej na
kompozytu, a
także
warstwy granicznej, co
wytrzymałość wzdłu ż ną
wytrzymałość połączenia
zilustrowano z kolei na rys. 17 . Jak
widać
na granicy faz
z rysunku, we wszystkich
tych przypadkach jedynie bardzo c ienkie warstwy graniczne
podnoszą
wytrzymałość,
w ·,trzyma łości,
i to do
natomiast
większe
wartości niższej ni ż
Mo że
się TÓwnież
czas monotonicznie
daje
zdarzyć ,
spadała
grubości powodują
połączenie
że
spadek
adhezyjne .
wytrzymało ś ć
wraz ze wzrostem
kompozytu
grubości
będzie
ca ły
warstwy, bez
400
lzabella }{yla
wystąpienia zauważalnej
bości
krytycznej, po której przekrocze-
nastąpi
niu
spadek
grubość
warstewki granicznej, powsta-
może
się powiększać
materiału
podczas
w wysokiej
temperaturze, w wyniku czego
przekroczyć optymalną,
bość.
Konieczność
zjawisk zmusza
:rs__
niewielka
w trakcie procesu wytwarzania kom-
eksploatowania
'::~--------~
początkowo
ma-
Ponadto
pozytu,
[24]
wytrzymałości
teriału.
łej
Rys. 16. Zależność wytrzymałości kompozytu od grubości
warstwy granicznej ( ---- obliczane ,
eksperymentalne)
na rys, 16 gru-
na
włókna
stanowić
może
bezpieczną
gru-
wyeliminowania tych
często
do nanoszenia
warstw ochronnych,
mogących
skuteczne bariery dyfuzyjne,
lub gdy i to nie skutkuje,
stosować
kompozyty "in situ".
Niewielkie stosunkowo
ilością
sterowania
nentu
zbrojącego
tycznych, jak
możliwości
i rodzajem kompo-
w kompozytach eutek-
również niełatwa
techno-
N
logia ich wytwarzania,
materiałów
powodują,
że
konstrukcyjnych, produko-
wanych w warunkach
przemysłowych,
się wśród
kompozytów wy-
ZIJ()
c
poszukuje
Q
f2
twarzanych metodami
pośrednimi,
Kom-
Rys. 17 . Wpływ grubości warpozyty te, w większości, mają dodatkostwy granicznej na: a - wytrzymałość wzdłużną, b _ wytrzywą cenną zaletę, jaką jest wysoka
małość poprzeczną kompozytu,
c -
wytrzymałość
po!ączenia
sztywność i wytrzymałość właściwa.
na
Określenie "wytrzymałość właściwa"
granicy faz [29]
oznacza tu
teriału odniesioną
dziej
do jego gęstości R
perspektywiczną
nowią wśród
magnezową
doraźną wytrzymałość
Największą grupę
z punktu widzenia praktycznych
kompozytów
(względnie
/l .
m
włóknistych
ich stopów),
kompozyty z
ma-
i najbar-
zastosowań
sta-
osnową aluminiową
zbrojoną wysokowytrzymałymi
i
lub
żaro-
Własności
odpornymi
włóknami
401
kompozytów, •.
metalicznymi i niemetalicznymi.
Kompozytarni opartymi na stopach lekkich najbardziej zainteresowany
przemysł
jest
nie ich w
lotniczy, astronautyczny i wojskowy,
różnego
na zmniejszenie
typu pojazdach, lub elementach
ciężan1
ponieważ
zastosowa-
wirujących,
pozwala
tych elementów, w konsekwencji do
oszczędności
energetycznych. Obniżenie ciężaru wyrobu jest możliwe, gdyż kompozbrojący
nent
wprowadzany w miejsce osnowy powoduje szybszy wzrost
wytrzymałości materiału niż
włóknem
jony
gęstości właściwej,
jego
np. silumin zbro-
stalowym o R
- 1500-2000 MPa wykazuje wzrost wytrzym
małości w stosunku do siluminu niezbrojonego o 7a%, przy równoczesnym
wzroście gęstości,
nia
włókna
okazuje
niemetaliczne
się
(włókna węglowe
siedemdziesiątych
blach i
lub
włókna
szereg firm USA
kształtowników
materiałów stanowią
tych
się
zaledwie 15%. Gdy stosuje
do zbroje-
boru) , relacja ta
jeszcze lepsza.
W latach
produkcję
wynoszącym
zbrojonych
opanowało przemysłową
włóknami ciągłymi.
Osnowę
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
zyty te
boru pokryte
uzyskują
węglikiem
bardzo dobre
objętościowym włókien
z
krzemu) oraz
własności
węglika
włókna węglowe.
Kompo-
mechaniczne, np .• przy udziale
boru 40-50 % wytrzymałość stopu Al6061
osiąga wartość 1400 MPa [25], a przy udziale 50% włókien boru 1140 MPa, natomiast
moduł sprężystości
około
wynosi
240-400 MPa.
Według danych [ 26] w 1970 r. w konstrukcjach samolotowych już ponad
22
różne
elementy wykonane
przechodziły
boru)
z
(głównie
kompozytów
Al-włókna
badania w lotach. Na rys. 18 pokazano
przykładowo
niektóre elementy w konstrukcjach samolotowych, wykonywane z kompozytu
Al-włókna
boru. Szczególnie ten kompozyt
sowanie w technice lotniczej,
żaru
sięgające
produkowanych z niego detali,
bardzo dobrej
od kompozytów dwufazowych
lotniczym stosuje
boru +
włókna
szerokie zasto-
znaczne
obniżenie cię­
18-60 %, przy zachowaniu
sztywności.
Niezależnie
myśle
znalazł
ponieważ umożliwił
się również
stalowe. Zbrojenie
Al-włókna
boru, w prze-
zbrojenie heterofazowe, np.
włóknami
stalowymi,
Al-włókna
układanymi
zwykle
402
lzabella Hyla
t'~~
Wspornik
kadłuba
8-1
element nośm;
kodtubo
Lotki
sfabdizacl.Jine
rokiefl.J
OC -10 ·
iebro
pionu
tur bim;
B-1
kodtubONO
--=-ai
li
IJdi
l
~
~
~~
~
Ostana
fur bim.;
Ry s . 18.
2 Lii!ii liSi
e
Łopatki
Hręqa
~
Przykłady
niektórych elementów kon strukcji samolotowych, wykonywanych z kompozytu Al - włókna boru
Własności
!.03
kompozytów •••
1
.................... ...... : 2
l l l
l
l
t
z
t i l l
Zlłł
l
z z z z
l l l l
z
l
zzz
:•;";"~H:~mm
z z z
3
t
z
l
l
z
l
l
l
z
l l l
=o===="='========~'
'~,,~~'~''~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 ce lu zmniejszenia
anizotropii własności mechanicznych (podniesienie wytrzymałości w ki~­
włókien
runku poprzecznym do
zwykle
włókien
boru) • Do tego typu zbrojenia
stalowych o wysokiej
wytrzymałości,
która nie maleje zbytnio podczas pracy
raturze. W kompozycie, którego
materiału
makrostrukturę
w
rzędu
używa
się
3300 MPa,
podwyższonej
tempe-
przedstawiono sc hema-
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
ale
zapewniało również
Przykładowo
wiązaniu
dużą
zmniejszało anizotropię
sztywność
wytrzymałości,
materialu przy niskim
ciężarze.
drzwi samolotu F-111 (firmy "Convair"), ważące w roz-
tradycyjnym 47,62 kg, wykonane z kompozytu dwufazowego
Al-włókna
boru
Al-włókna
boru + drut stalowy - 26,72 kg, przy zachowaniu wymaganej
sztywności.
Jak
ważyły
widać,
detalu prawie o 50%.
tylko 33,62 kg, a z kompozytu heterofazowego
zastosowanie kompo zytu
Własności
rencyjnymi w stosunku do
te
czynią
materiałów
pozwoliło obniżyć ciężar
kompozyty materialami konku-
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 bniża to ciężar skrzydła o około 13%, a ogólny ciężar konstrukcji o 7.3% ,
co znacznie poprawia
techniczną
charakterystykę
samolotu,
ponieważ
40 4
lzabella Hyla
umożliwia zwiększenie pojemności
bez
obniżania szybkości
i
zbiorników paliwa oraz
odległości
lotu. Z kompozytu
ciężar udźwigu
Al-włókno
boru
wykonuje się także śmigła samolotów o pionowym starcie (firmy United
prętowe.
Aircraft) oraz przestrzenne konstrukcje
Prowadzone
są również
próby stosowania kompozytów na bazie stołopatek
pów l e kkich do wytwarzania
kompozyt Al6061 + 50%
włókno
wirujących .
maszyn
borsik
był
Przykładowo
wykorzystany na
wentylatora silnika IT-80 [27]. Jak informują autorzy [27]
pomyślne.
Stwierdzono,
że
materiał
zastosowany
łopatek,
dzięki
czemu
zmniejszają
się
zróżnicowane
i
turbo-
próby były
wytrzymuje bardzo
dobrze trudne wa runki eksploatacyjne, a ponadto zapewnia
ność
łopatki
wysoką
sztyw-
drgania konstrukcji i opory
aerodynamiczne.
Ze
względu
na bardzo
gólnyc h przekrojów
z ró ż ni c owanego
łopatek
rozłożenia
podejmuje
fazy
się
zbrojącej
złożone obciążenie
poszcze-
próby wprowadzenia
również
na
długości ł opatki.
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
405.
kompozytów, ••
kowego (rys. 20b) . Wytwarzanie łopatek z kompozytów włóknistych metodami
pośrednimi
z
ciekłą osnową
wymaga pokonania wielu
trudności
opłacalne.
natury technologicznej, dlatego nie zawsze jest to
2. Kompozyty w elektrotechnice
Możliwości
własnościami materiału
sterowania
zaprojektowanie jego struktury
lonych
własnościach
dzinach, m.in.
także
umożliwia
poprzez odpowiednie
materiałów
uzyskiwanie
różnych
fizycznych. Wykorzystywane jest to w
Można
w elektrotechnice.
bowiem np.
eX
takie dielektryki' których stała dielektryczna
okreś­
o
dzie-
projektować
mieściłaby się
w okreś-
Tab. 3. Zestawienie niektórych wzorów wykorzystywanych do obliczania
stałej dielektrycznej -
E.k
Kształt
fazy
zbrojącej
Nr
t: - c,;)
Wzór
(stała dielektryczna osnowy
sfery
X
sfery
€. k - f. 2 +
dyski lub
lamele
(. k -
e: 2
(33)
[ 31]
(34)
[32]
(35)
[33]
(36)
[ 32]
X
X
X
2 tx +
El
2
V l (E
X
X
Zródło
3 V1 E2(tl- t 2)
X
X
równ ani a
~ -
t ;)(
+
f.; +
X
Ul)
X
2€.1
pręty,
włókna
v1 (t ~-t. ;)(s e;_+ t.~)
lub kryształy nitkowe
lonych granicach.
X
3(tl
Ponieważ
t2)
dielektrykami takimi
pozyty dyspersyjne, jak i
włókniste,
zwalające
doprowadzić
w konsekwencji
X
+
dlatego
mogą być
rozważania
do uzyskania
zarówno kom-
modelowe, po-
niezbędnych zależ-
406
lzabella Hyla
ności
różnie ukształtowanych
funkcyjnych, realizowano dla
zbrojących .
kładowo
elementów
Niektóre z uzyskanych wzorów końcowych zestawiono przy-
3.
w tab.
Przy braku
pełnej
.informacji o geometrii komponentu
zbr.ojącego
oraz
izotropii kompozytu bardziej celowe wydaje się określenie dolnej i górne j wartości stałej dielektrycznej ' f..x [34]
+
~'·;r
X
vl
X
~k+- f-2 +
X
(37)
1/ (c~ - [X)
2 + Vzl3c;
v2
X
E.k- - E.l +
X
X
1/(t 2 - t l) +
(38)
V 1 /3t~
gdzie
(X> f.X
2
l
Przy statystycznej ocenie geometrii i izotropii struktury oraz zastosowaniu rachunku wariacyjnego,
skorzystać
ponowanych w pracy M. Berana [35].
można też
z
zależności
pro-
Przytoczone w pracy [35] za-
leżności ujmują m.in. ·składnik stanowiący o topografii zbrojenia, dzięki
czemu
um o ż liwiają oddziaływanie
na
stalą dielektryczną równie ż
poprzez
ten czynnik strukturalny kompozytu.
Badania
wykazały,
że
wzory
służące
do obliczania innych
własności
fizycznych kompozytu, takich jak np. przewodnictwo elektryczne lub
c ieplne,
zachowują
strukturę
powy żej
za leżności,
służące
m o żna
bowiem
stwierdzić,
analogiczną
do tej,
jaką m a ją
przytoczone
do o b l~ c zania stalej clielektrycznej. Ogólnie
że
wielkości
te
spełniają
zale żn ości
funkcyjne
typu
a:.
[ti/x), E/x)J-
~(x) ,
l
(39)
Własności
e ijk,
gdzie
S'
Ej , i
407
kompozytów, ••
mogą reprez~ntować własności
termiczne, elektrycz-
ne lub magnetyczne.
Przykładowo: E .(x)
J
p (x) -
- gradient temperatury,
ciepła. Problem związany jest zwykle z wyrażeniem
f..i/x)
przy zdeter-
i najczęściej bywa rozwiązywany' szczególnie w odnie-
9 (x)
mino-wanym
gęstość źródeł
sieniu do kompozytów, ze statystycznego punktu widzenia.
własności
Do szczególnych
elektrycznych niektórych kompozytów
włóknistych zaliczyć należy możliwości
r ze nadprzewodników.
Już
wykorzystyw.ania ich w charaktestwierdził,
w 1918 r. Onne s
że
w bardzo
niskich temperaturach (np. dla rtęci jest to temperatura 4,1 K) różne
materiały,
także
i
półprzewodniki,
mają zdolność
ładunku
przenoszenia
elektrycznego bez rezystancji, a zatem d.o przenoszenia mocy elektrycz1'\ej bez strat, Na
myśle
materiały
duże
takie istnieje
elektronicznym i elektrotechnicznym.
pamięciowych
do budowy elementów logicznych i
elektronośnych
nikach, a
się
bowiem doskonale
komputerów, elementów
w silnikach, generatorach, transformatorach i
także
Możliwości
magały
zapotrzebowanie w prze-
Nadają
elementów bardzo
czułych przyrządów
pomiarowych.
praktycznego wykorzystania tego rodzaju
przeprowadzenia szerokich
materiałów
badań poprzedzających,
również
jego . zależności od
prowadzone badania
materiałach
wany w
wykazały,
różnych
że
czynników
w stanie
nów,
polegającego
łączeniu
się
pewnej
ilości
w ogóle
uporządkowania
elektro-
pęd
na s kutek rozoddzi aływa­
praszania, wówczas drugi elektron, w wyniku specyficznego
łączącego
kowity
pęd
elektrony w pary,
elektronów
również
pozostał stały.
zmieni swój
Ponieważ
obserwo-
elektronów walencyjnych
w pary . Gdy jeden z elektronów pary zmieni swój
nia
Prze-
zniknięcia
za.nik rezystancji nie jest skutkiem
na
materiałów,
zewnętrznych.
nadprzewodzącym
procesu rozpraszania, ale skutkiem specyficznego
wy-
i to nie tylko
w zakresie poznania samej istoty zjawiska nadprzewodnictwa
ale
przełącz­
pęd
tak, aby
wypadkowy
pęd
cał­
elektro-
nów nie ulega zmianie, prąd przepływa bez rezystancji: Nie wnikając
głębiej
w teorie nadprzewodnictwa, z którymi
można zapoznać się
w pracy
[3 7 ], istotnym zagadnieniem, z punktu widzenia zastosowania tych materiałów
w konkretnych
macja o
wielkości
rozwiązaniach
i rodzaju
przewodnictwo materiałóW!'.
konstl"Ukcyjnych, staje
wpływu różnych
czynników
się
infor-
zewnętrznych
na
408
lzabella Hyla
Można przyjąć,
peratura,
ponieważ
że
jednym z
najważniejszych
czynników jest tem-
własności. nadprzewodzące materiału ujawniają
dopiero po przekroczeniu pewnej temperatury krytycznej
różnych materiałów.
dla
zachowuje swoje
Dla temperatur
własności
wyższych
od Tk
Tkryt., różnej
ryt.
materiał
osiągnięciu
rezystywne, natomiast po
się
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 nadprzemateriału,
wodzenia
ponieważ może prowadzić
do zniszczenia zjawiska
nadprzewodnictwa w materiale, jest pole magnetyczne. Nadprzewodni-k
umieszczony w polu magnetycznym o
tości
krytycznej He traci
tyczne H
c
zależy
temperaturową
natężeniu większym
własności nadprzewodności.
materiału
od rodzaju
krytycznego
natężenia
od pewnej war-
Natężenie
oraz od temperatury.
pola
kry-
Zależność
można określić związkiem
(40)
Wartość
jaki
tego
krytyczna
może
prądu,
zwanego
rezystywność.
się
natężenia
przepływać
pola magnetycznego
określa wielkość
przez nadprzewodnik. Po przekroczeniu
prądem
Zgodnie z
prądu,
wielkości
krytycznym, nadprzewodnik odzyskuje
hipotezą
Silsbee za
prąd
krytyczny l c
zwykłą
uważa
takie natężenie prądu, które wytwarza na powierzchni nadprzewod-
nika pole równe polu krytycznemu. Dla przewodnika o promieniu
a
(41)
W praktycznych zastosowaniach technicznych najbardziej
są
takie nadprzewodniki, które
krytyczne pola magnetyczne i
zatem w
układzie
wodników, to
własności
mają
duże
pod
uwagę
krytyczne
aż
gęstości prądu.
ich charakterystyki
Własności
te
Chociaż
własności
25 ma
przetwórcze, jedynie nieliczne z nich
zastosowanie.
duże
wysokie temperatury krytyczne,
okresowym pierwiastków
biorąc
interesujące
nadprze-
nadprzewodności
mogą znaleźć
można polepszać tworząc
oraz
praktyczne
określone
związki.
Własności
W ta b. 4 przedstawiono niektóre z
materiałów nadprzewodzących
Spośród
z zaznaczeniem ich temperatury krytycznej.
znalazł
znaczenie praktyczne
409
kompozytów •••
związek
nich
NbTi, o dobrych
wraz
największe
własnościach
przetwórczych, oraz kruchy Nb Sn, który z kolei daje prawie dwukrotnie
3
związków
Tab. 4. Temperatury krytyczne nadprzewodnictwa niektórych
międzymetalicznych i metali
Nb Sn
3
Nb sn
6
18K
5
2,07 K
NbTi
4 K
Ta
4,48 K
większy
Nb Al
3
v3 Ga
v3 Si
17,5 K
16,5 K
1 7 ,l K
MoN
12,0 K
V
5,03
Sn
3, 72 K
s kok temperaturowy
niż
NbTi.
Maksymalne pola krytyczne (w teslach, T) dla najlepszych półprze­
wodników
nych
są
liczbami od l
wyrażonych
,5 do 2 razy
większymi
w stopniach Kelvina, a
przewodnikach twardych
n
od temperatur krytyc z -
natężenia prądu stałego
rodzaju (nadprzewodniki
•
u
histerezą magnetyczną wywołaną obrobką mechaniczną
Poniewa ż
)
rodzaju z dużą
10
-2
są rzędu 10
Am •
niewielkie zaburzenie elektryczne, magnetyczne, mechaniczne
może doprowadzić
lub termiczne
zystywności,
przy tak
nadprzewodnik do normalnego stanu re-
dużych natężeniach prądu nastąpiłoby wręcz
nadprzewodzącego.
dzącego,
włókien,
Polega ono na tym,
umieszcza
np. miedzi,
obróbkę mechaniczną,
wystąpieniu
zaburzeń
się
się
Przewody
nadprzewodnik, w postaci cie-
w osnowie z
zapewniając
materiału
równocześnie,
bardzo dobry kontakt
w nadprzewodnictwie
muje przewodnictwo do czasu powrotu
czemu unika
że
spa-
materiału
lenie przewodnika. Dlatego konieczne jest tzw. stabilizowanie
niutkich
w nad-
poprzez
pomiędzy
włókien
układu
dobrze przewoodpowiednią
komponentami. Przy
metal osnowy przej-
do stanu
wyjściowego,
dzięki
katastrofy spalenia nadprzewodnika.
nadprzewodzące mają
strukturę wielewłóknową
i
wiełoży­
łową (rys. 21). Ich produkcja osiągnęła już duży stopień doskonałości
w niektórych krajach
mysłową
wysokąrozwiniętych
zarówno przewody
okrągłe,
jak i
i wytwarza
płaskie.
W
się
na
skalę
materiałach
przekonfe-
lzabella Hyla
410
R ys . 21. Pr ze kroje przewodu
nadprzewodzącego
rencyjnych Swiatowego Kongresu Elektrotechniki [38] informowano o opanowaniu produkcji przewodu
dzącego prąd
taśmowego płaskiego 15-żyłowego,
5000A przy 5T. Zbudowano go z
żyl
o
średnicy
przewoO, 7 mm
przeplatanych co 70 mm. W każdej żyle w osnowie miedziowo-niklowej
osadzono 600 włókien niobo-tytanu o średnicy 18 }lm. Stosunek przekrojów osnowy do nadprzewodnika wynosi l, 4, wytrzymałość na zerwanie 1300 MPa, a umowna granica
plastyczności
konferencji przedstawiciele firmy Hi tac hi,
produkcji przewodów
nadprzewodzących,
produkcji przewodów o
włókien
dej 331
niobu o
średnicy
mającej duże doświadczenie
informowali o
0,74 mm
średnicy około
- 900 MPa. Na tej samej
do
przystąpieniu
zawierających
7
lO }lm, pokrytych
żył,
a w
warstwą
w
każ­
nad-
przewodnika Nb Sn. Temperatura krytyczna nadprzewodnika wynosi 17, 7K,
3
a prąd krytyczny 180A. Najmniejszy promień gięcia przewodu, nie naruszający
struktury warstwy
nadprzewodzącej,
wynosi 25 mm. Jako prze-
wód "drugiej generacji", wyprodukowany w tej samej firmie, wymieniono
przewóa:-o średni cy 3, 36 mm, zawierający 5551 włókien niobowych o śred­
~
nicy
nosił
były
12 }lm o dwóch warstwach
Równie ż
l, 5 kA.
udane i
Prąd
krytyczny wy-
próby z wykorzystaniem innych nadprzewodników
rokują nadzieję
na szersze zastosowanie.
Przewody te wykorzystuje
indukcję
nadprzewodzących.
się
do budowy elektromagnesów,
dających
w zakresie 5,5-15,5T, tworników turbogeneratorów wielkich
mocy (3GVA) o jednej parze biegunów, do uzwojeń elektromagnesów
wytwarzającyh
"podu sz kę magnetyczną",
umożliwiającą
pojazdom o
noś-
Własności
411
kompozytów •••
ności 300 t osiąganie prędkości 500 km/h, oraz na mniejszą skalę stosię
suje
jako mikroprzewody dla techniki impulsowej i linie radiokomu-
nikacyjne (100-1000 razy mniejsze tłumienie) • Wykorzystywanie nadprzewodników wymaga jednak
układów
ka żdorazowo rozwiązania
w bardzo niskich temperaturach,
problemu pracy tych
wynikających
z ich tempera-
tury krytycznej, oraz stworzenia odpowiedniego systemu
przed zniszczeniem
urządzeń
bardzo nowoczesnych i
zabezpieczeń
przy utracie nadprzewodnictwa. Wymaga to
złożonych rozwiązań
technicznych.
Obok tych nowoczesnych dziedzin wykorzystywania kompozytów materiały złożone występujące
waly
już
w postaci kompozytów warstwowych znajdo-
od wielu lat praktyczne zastosowanie zarówno w elektrotech-
nice, jak i w innych
gałęziach przemysłu.
Szczególnie przydatne
w technice pomiarowej, gdzie wykorzystywany
współpracy,
ściśle
połączonych
był
przemysłowej
towarzyszący
różniących się
materiaiów
kami przewodnictwa cieplnego lub magnetycznego.
tyce
efekt
Są
termo- lub magnetobimetale, które
były
współczynni­
to znane w prakdo ść
szeroko wy-
korzystywane są albo w przyrządach pomiarowych (rys. 22) , albo w regulatorach (rys. 23, 24) •
Wykresy na rys. 24
go,
niezbędnego
do
pozwalają
ocenić
wielkość
zrównoważenia odkształcenia
obciążenia
zewnętrzne­
termobimetalu w
podwyż­
szonej temperaturze. W elektrot echnice kompozyty warstwowe, zwane
niekiedy elektrobimetalami, wykorzystywane
Spiralo z
są
bardzo
często
na
różnego
fermob/mefa/u
Rys. 22. Termobimetaliczna spirala zastosowana w przyrządzie
do pomiaru temperatury
Rys. 23. Element impulsowy
przekaźnika
L,l2
l zabella Hyla
A tO'
~'
Hiedż, .stop(/ miedzi, ł>lolftam
.smbro
f0
1
i
;eqo
~topi/
kompazl/fil z O&noł>lf:!
srebra
Fk.~ 1N
oraz
~ łJ'
~-
1011---------1
srebro , z toto i ich
5fOPI./
l
~ ()-t------,~(' fN l
~ -J d~>~usfronm.; l
l
·~
~
()
łJ. 6
kontakt
ze ztofa
l
l
~
l
l
l
l
l
~~ L-~------i---~--~~
l l
roJ
to 1
Napięcie
-20 L---7---'2,---3':----".L..___J5
Obciqzenie (N)
Rys. 25. Materiały stosowane na
warstwy kontaktowe elektrobimetali w zależności od warunków pracy
Rys. 24. Odkształcenia bimetalu pod wpływem temperatury i
obciążeń
zewnętrznych
rodzaju styki i
riału
połqc
spełniającego
Składają
zen i a elek tryczne.
rolę
no ś nika
przewodnika e l e ktrycznego . Na
i
nałożonej
nośniki
się najczęściej
na niego warstwy dobrego
i
stabilność cieplną
logicznych, takich jak: dobre
żeń własnych,
dzącym prąd
różne
dobrą
itp .
Najczęściej
i czasową) , dobrą
oraz szereg odpowiednich cech techno-
w1asności
spawa lność,
się materiały mające
wykorzystuje
wysoką wytrzymałość mechaniczną (natychmiastową
przewodność
z mate-
przetwórcze, nie
łatwość łączenia
stosowane
nośniki
z
dające naprę­
materiałem
to
miedź
przewo-
i jej stopy,
typy brązów, mosiądz, żelazo lub stal nierdzewna X1 2CrNi188 a lbo
żaroodporna
X15CrNiSi2520. Warst wy kontaktowe wykonuje
z dobrych przewodników
elektryczności,
dobierając
rodzaj
się
natomiast
materiału
i
grubość warstwy w zależności od przewidywanych warunków pracy (rys.
25) •
Grubość
nano szonej warstwy kontaktowej zmienia
się
w
zależności
Własności
od warunków pracy
wane
są
urządzenia.
materiały
dzisiaj
413
kompozytów •••
W technice
silnoprądowej najczęściej uży­
cząsteczkami
zbrojone
o zestawie srebro-tlenki
kadmu (5-20% tlenków kadmu) •
3. Kompozyty o
umożliwiają
Kompozyty
kreślonych
w
do ść
trwałych materiałów
Wysoka koercja
możliwości
stosując
małe
bardzo
małej
w bardzo
Przykładowo,
przesuwania
średnice
także
ku
dokonać
całej
można osiągnąć
się,
że cząsteczki
już traktować
Wielkość
pola
niezbędnego
materialu oraz od
je
się
przy
kształtu
do
przyłożenia
cząsteczek .
silną anizotropi ę
mentów strukturalnych komponentu
się
W kompozycie eutektycznym
W ymaganą
wyróżnionej
alugość włókien
jako
jedną
ści an
przyŁo że nia
domenowych,
polach magnetycznych.
zależy
od energii anizotropii
Wyższe wartości
koer c ji obserwu-
domenowych", których rotacja jest
zbrojącego
materiałów
}lm
Taką formę
osiągnąć można
długościach włókien
średnicach dziesiętnych części
cone magnesiki o
bliskie
w tym przypad-
co wymaga
energii demagnetyzacji.
tach eutektycznych, przy niewielkich
kienka o
słabych
wydłużonych "cząsteczkach
utrudniona przez
przez
zatem,
średnicy
o
calości
w
może
cząsteczki,
przy stosunkowo
Jeżeli
cząstkę będzie
na
znacznych pól magnetycznych, a nie przez przesuwanie
które
wielkości
wystąpi niejednorodność materiału
zmiana namagnesowania
jedynie przez obrót
koerc ji
osiągana
domenowych.
oddziaływanie
domenowemu. Przyjmuje
6
5
mniejszej od 10- lub 10- cm można
że
zmianę
i o-
wielkość naprężeń własny c h.
ś cian
cząstek,
skali, wówczas
Oznacza to,
wielkością
magnetycznych jest
oddziaływaniu
domenę.
zróżnicowanych
szerokim przedziale poprzez
fazy dyspersyjnej, ziarn, a
ograniczenie
magnetycznych
uzyskiwanie magnesów o
z góry charakterystykach .
sterować można
cząstek
własnościach
ele-
w kompozy-
zb roją cyc h.
magnetycznych otr zymyw ane
tworzą
włó­
jednodomenowe, nasy-
osi i anizotropii magnetycznej.
oraz
właściwą
ich
średnicę
regulować
można
w procesie kierunkowej krystalizacji gradientem temperatury i szyb -
kością
przemieszczania
rametrów
należy
jednak
się
frontu krystalizacji. Przy ustalaniu tych pa-
zwrócić uwagę
na ich
wpływ
na
stopień
zdefe kto-
lzabella Hyla
414
włóknistej,
wania powierzchniowego fazy
cząstek
ni
Jakość
fazy dyspersyjnej w kompozytach dyspersyjnych.
cząsteczek może
ponieważ
nia,
podobnie jak przy zmniejszaniu
zadecydować
bowiem
może nastąpić
w defektach
o efekcie
końcowym
zaburzenie
układu
powierzch-
magnesowawywołać
i
w
nich przeciwne namagnesowanie, które zmniejszy zamierzony skutek.
Mikromagnetyczna teoria zarodkowania przy defektach powierzchniowych
zakłada,
że
liczbę
traktowaną
obszaru
jako
zamkniętej
<iefektów na
zmienną losową,
rozważanego
powierzchni
określić można rozkładem
Poissona
p
średnią liczbę
gdzie ;> oznacza
Przyjmując,
- vA
o - e
(42)
defektów na
że średnica włókien
jednostkę
decyduje o
powierzchni.
własnościach
kompozytu,
równanie (42) dla wydłużonych elementów strukturalnych przyjmie postać
p
(43)
o
Dużą
zależność
siły
koercji od
średnicy włókien
potwierdziły także
bada-
nia Liwingstona [39], prowadzone dla kompozytu Co-Au. Gdy średnic a
włókien malała
siła
z l pm do 0,07 pm,
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 co -Co;
2 17
-Co, nie tylko potwierdzono ustal,me poprzednio zależności, ale
Sm Co
2 17
stwierdzono,
że
bardzo dobrych
kompozyty
własności
wodnością elektryczną,
włókniste
stwarzają możliwości
mechanicznych materialu z jego
lub
też
połączenia
wysoką
wysoką koer cją magnetyczną.
prze-
Niektóre
kompozyty włókniste, przy wystąpieniu w nich obok fazy magnetorezystywnej fazy piezoelektrycznej,
wołane
pozwalają uzy,skiwać
anizotropowym magnetooporem.
Przykładem
cie kaw ę
takiego
efekty wy-
materiału
jest
kompozyt eutektyczny lnSb-NiSb (osnowa półprzewodnik ~ wl6kna przewodzące)
runkiem
, w którym magnetoopór
włókien,
kierunkiem
magnetycznego. Stwierdzono
zależy
prą<iu
od
wielkości kąta między
kie-
elektrycznego oraz kierunkiem pola
L42] ~ że
przy zmianie kierunku pola magne-
Własności
415
kompozytów •••
tycznego w stosunku do kierunku włókien w zakresie od 0° do 90° magnetoopór dla komptzytu lnSb-NiSb wzrasta 18-krotnie. Jest to
związane
z wystąpieniem efektu Halla powodującego odchylenie elektronów z ich
płytce
prostoliniowego toru. W
wykonanej z kompozytu eutektycznego
(lnSb-NiSb) przewodząca faza włókni sta umożliwia przepływ prądu pod
wpływem napięcia
wywołuje
wotnego i
prądu
efektu Halla, skierowanego przeciwnie do
!J. R proporcjonalny do
dodatkowy opór
pier-
natężenia
pola
(44)
Zmianę
w
włóknistej
Te
oporu elektrycznego omawianego kompo zytu eutektycznego,
zależności
od kierunku
płytki
są
w
polowe .
różnego
wykonując
Płytki
rodzaju
oraz
urządzeniach
nych bezkont aktowych
~
~
~. '5
jak
a.
np. · w układach sterowania systemem hamulcowym lokomotyw elektrycznyc_h. Znaj -
kształt
gospodarstwa
polowym
nadaje
domowego.
się
20
~-
kon-
zastosowanie w niektórych
~
c
in-
sterujących,
troino-pomiarowych
Płytkom
fazy
wykresy na rys. 26.
8
te stoso-
urządzeniach
kontaktowych potencjometrach
urządzeniach
ilustrują
z nie-
do pomiaru pól magnetycznych, w bez-
dują również
ułożenia
w stosunku do
kompozytu lnSb-NiSb wy-
korzystano w praktyce,
wane
p rądu
oraz kierunku pola magnetycznego,
własności
go tzw.
przepływu
c
u
~
Rys . 26. Zmiana oporu elektryc znego eutektyki zorientowanej
lnSb-NiSb w polu magnetycznym
często
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
teriałów
metali,
przykładem
są
wykorzystywania
zróżnicowanej
tzw. bimetale magnetostrykcyjne .
ściśle
ze
sobą
złączonych,
większa
jest
różnica
magnetostrykcji mawykonana z dwóch
posiadających różną magnetostrykcję,
po umieszczeniu w polu magnetycznym ulegnie
niejszemu im
Płytka
wygięciu,
magnetostrykcji
i to tym moc-
wzdłużnej
komponentów.
41 6
lzabella Hyla
To wyginanie
/
///
pomiarowej i regulacyjnej.
/
/
6
wy-
korzystywane jest w technice
~~--
-
się płytki
Istnieje
2
dość duża
teriałów,
liczba ma-
z których
można
by
wykonać
magnetostrykcyjny
bimetal,
jednakże największe
znaczenie w tej dziedzinie
zyskały:
czysty nikiel jako
kompone nt passywny (posiada
dużą negatywną
Rys. 27.
Płytka
polowa
cję wzdłużną)
magnetostrykże­
oraz stop
lazo-nikiel (udział masowy Ni ~ 30"-') jako komponent aktywny. Materiały
te
łatwo dają
ki
moduł
wygięcia
się
łączyć
sprężysto ś ci
z
sobą,
i dobre
magnetostrykcyjnej
określić można
nym
ze
wykazują dużą antykorozyjność,
własności wytrzymałościowe.
taśmy
wyso-
Wielkość
bimetalu przy zamocowaniu jednostron-
zależności
(45)
a przy zamocowaniu dwustronnym
3( 11 l - i\ 2) l
f - _
gdzie: f -
wygięcie
komponentu z
:A
2
-
dłużeniem
(46)
____;:1:--:6=--s-=---
magnetostrykcyjne, ::\
większym
wzdłużna
2
pozytywnym
1
-
wzdłużna
wydłużeniem
magnetostrykcja
przy danej sile pola,
magnetostrykcja komponentu z mniejszym pozytywnym wy-
przy danej sile pola, l -
długość
swobodna
płytki
bimetalu,
s - grubo ść płytki bimetalu, a M - wygięcie magnetostrykcyjne właściwe,
H -
siła
pola. Dla bimetalu Ni-Ni+Fe obszarem
wrażliwości
w
wygięciu
wygięcie zbliża się
dużej
jest moc pola 100 Oe. Przy
asymptotycznie do
wartości
magnetostrykcyjnej
większ~j
sile pola
maksymalnej przy magne-
Własności
tycznym
nasyceniu
(rys.
28) • Naj-
większe osiągane wygięcia leżą
0,5-1,5mm.Jeśli
gięcie
jest hamowane, wówczas uzysku-
się
bimetalu
materiały
mają
różniące się współczynniki
ności
cieplnej,
nałożenia się
af
sytuacja
efektu termobimetaliczne-
o
go z efektem magnetostrykcyjnym. Na
ogól powoduje to zmniejszenie
ze
wraż.'
Nofeienie pola
wygięcia
Rys. 28. Efekt oddziaływania
siłowego bimetalu magnetostrykcyjnego
wzrostem temperatury oraz
zwiększenie
przy jej
11!111 III III li l l li
r
Gdy
bardzo
{JfzełN. na zim.
'111: tp:UTJ
0.2
rozszerzal-
może zaistnieć
~
l
siłowego
magnetostrykcyjnego.
współpracujące
/
wzbudzone wy-
oddziaływania
efekt
'odpręż.
w prze-
dziale
je
417
kompozytów, ••
obniżeniu,
zgod-
zależnością
nie z
aMHl
f -
2
można wyeliminować
Termoefekt
--s--
.:!:
s
za
pomocą
(47)
niemagnetycznego termobi-
metalu wykorzystanego w charakterze kompensatora. Bimetale magnetostrykcyjne
znalazły
zastosowanie w technice pomiarowej (efekt
wygięcia)
i regulacji (efekt siłowy) • Najdogodniejszą postacią kompozytu, łatwą do
wykorzystania w praktycznych
formie
nia.
taśmy.
Są
one
teriałowcami
Przytoczone
przykładem
rozwiązaniach,
przykłady
olbrzymich
nie
jest produkowanie go w
wyczerpują oczywiści
możliwości,
w dziedzinie otrzymywania
jakie
materiałów
o
stoją
zagadnie-
przed ma-
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 matieriały
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]
[11]
Bertorello H.R., Biloni H.: Met. Trans ., ],
l
(1972).
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 wysokotiempieraturnyje 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).
Wołoknistyje
[17]
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, 19 79; 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
(197 4 ).
[25] Forest ].D., Christian J. L.: Metals Engn. Quart., 10, l (1970).
[26] Powers W .M.: SAMPE Quart., ~. l (1970).
Własności
419
kompozytów • • •
[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.,
wołoknami,
Obczinskij A.S.: Razruszenije mietałlow armirowanych
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.: Aliuroiniewyje
Nauka, Moskwa 1974.
[44) Weiss H.: Met. Trans., 2 (1971).
spławy armirowanyje wołoknami,