Эффективные свойства структурно-неоднородных материалов

08.07.2015

Порошковые реагирующие материалы представляются в большинстве своем смесями реагентов и инертного наполнителя, а значит, по своей природе обладают внутренней структурой. Причем подготовка реагирующей порошковой смеси специфична тем, что порошковые компоненты, отличающиеся удельным весом и гранулометрическим составом, плохо смешиваются, так что добиться равномерного распределения частиц одного компонента в другом практически невозможно — в смеси всегда наблюдаются агломераты частиц. Подготовленная смесь всегда характеризуется неоднородностью концентраций компонентов и относительного объема пор. В хорошо подготовленной смеси неоднородность концентраций компонентов и пористости имеет макроскопическую структуру, имеющую определенные параметры трансляционной симметрии по всему объему смеси. Для изготовления лабораторных образцов (заготовок при промышленном производстве новых материалов) смесь обычно компактируют. При таком предварительном прессовании в объеме гетерогенного порошкового материала всегда формируется новая структура пористости — неоднородность относительного объема пор в локальных объемах порошкового компакта, а значит, модифицируются характеристики распределения концентраций компонентов по объему элементов макроскопической структуры и размеры самих элементов. Таким образом, в реагирующей смеси со средними значениями концентраций компонентов и пористости образуется макроскопическая структура концентрационной неоднородности. Формирование такой структуры можно рассматривать как следствие проявления синергетических процессов самоорганизации дискретных систем в условиях интенсивного механического воздействия.
От наличия макроскопической структуры неоднородности концентраций компонентов и пористости зависят скорость и глубина превращений, импульсный режим горения и особенности протекания всех физико-химических процессов синтеза. Для уменьшения импульсности процессов синтеза материалов методами порошковой металлургии, определяемой наличием макроскопической концентрационной неоднородности реагирующей порошковой смеси, и повышения за счет этого устойчивости и эффективности технологических процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза предложено применять так называемые гетерогенные композиционные материалы. В подобных гетерогенных композициях порошок или проволока из одного вещества равномерно покрыты слоем из другого таким образом, чтобы составы композиционных порошков или проволок (пирофьюз) соответствовали заданной стехиометрии. Проведенные с исходными реагентами эксперименты однозначно показали принципиальное значение макроскопической концентрационной неоднородности реагирующей порошковой смеси как одного из определяющих факторов обеспечения технологических режимов синтеза. Все сказанное позволяет заключить, что учет параметров структуры концентрационной неоднородности необходим для построения методики прогноза поведения реагирующих порошковых смесей.
В последние годы появились технологии создания многослойных систем. Процессы горения в таких слоевых композициях представляют большой интерес, поскольку дают возможность изучать влияние гетерогенности среды на особенности синтеза в простейших условиях.
Процессы CBC в двухслойных тонких пленках на примере систем Ni-Al, Fe-Al, Co-Al рассмотрены в работе. Установлено, что температура инициирования процессов синтеза в таких системах на 300—350° ниже, чем в порошках.
Новая волна исследований в области горения многослойных систем связана с созданием методов получения тонких многослойных фольг. Толщина каждого слоя в таких системах не превышает 100 нм, а общая толщина фольги, состоящей из нескольких тысяч слоев, колеблется от нескольких единиц до десятков мкм. Скорость горения таких фольг — порядка 17 м/с, что существенно выше скоростей распространения фронта в порошковых системах. В работе проанализирован CBC в многослойной фольге с чередующимися слоями титана и алюминия, толщина которых варьировалась от 5 до 110 нм, а общая толщина фольги — от 15 до 20 мкм. В зависимости от стехиометрического состава и начальной температуры горение происходило в стационарном или пульсирующем режиме. Было проведено исследование зависимости скорости горения тонких многослойных фольг от начальной температуры и толщины слоев, в ходе которого установили, что инициирование процессов синтеза, как и в системах, рассмотренных в работе, происходит при температуре на 300—400° ниже, чем в порошках, а скорости горения фольг намного превосходят скорости горения аналогичных порошковых смесей.
Закономерности инициирования горения образцов слоевых композиций, состоящих из алюминиевой фольги и тефлоновой пленки, при ударном воздействии представлены в работе. Там же определено влияние толщины чередующихся слоев на чувствительность к удару многослойных образцов и обнаружено явление инициирования исследуемых составов с избыточным содержанием тефлона (далеким от стехиометрии). Скорость реакции в такой системе аномально высока, вследствие чего делается вывод о механохимической природе взаимодействия компонентов слоевой системы «алюминий — тефлон» при ударном воздействии.
Более высокая сопротивляемость пробиванию легких броневых сплавов Al-Zn-Mg сопровождается их повышенной склонностью к образованию отколов брони вследствие пониженной ударной вязкости. Это обстоятельство позволяет использовать слоистые системы в качестве композиционных слойных броневых плит (ламинатов). Композитный слойный материал может быть изготовлен методами горячей прокатки с последующей термообработкой. Композитная слойная броня с чередующимися высокопрочными и ударовязкими слоями обеспечивает лучшую баллистическую защиту, чем любая стандартная монолитная броня, так как сочетание твердости, ударной вязкости и прочности оказывает высокое сопротивление баллистическому внедрению снарядов кинетического действия и сопротивление тыльным сколам. Сегодня возможности повышения характеристик алюминиевой брони не исчерпаны и заключаются в нахождении оптимальных гетерогенных структур. Легкая броня на основе титана показывает ощутимые преимущества даже перед стальной противоснарядной броней. Как и для алюминиевой брони, перспективы использования титана лежат в области создания гетерогенных композитных многослойных структур. Огромный опыт, накопленный при разработке легких броневых материалов для боевых машин, в свою очередь, оказывается востребованным для авиастроения.
В качестве нового перспективного легкого броневого материала может быть рассмотрен так называемый металл-интерметаллический слоистый композит (MIL). Развитие технологий изготовления таких материалов, методов лабораторных испытаний и компьютерного моделирования механического поведения при динамическом нагружении актуально для современного авиационного материаловедения.
Синтез высокопрочных интерметаллических слоев осуществляется непосредственно в процессе взаимодействия слоев реагирующих компонентов (алюминия и переходных металлов), непрореагировавшие слои которых образуют ударновязкие преграды, удерживающие тыльные сколы интерметаллических слоев, осколки и снаряды кинетического действия. Многослойность MIL, вариации толщин слоев (ламинатов) и других локальных геометрических характеристик (радиусов кривизн полиарочных конструкций, например), вероятность создания демпфирующих элементов структуры и другие отличительные особенности перспективной композитной слоевой металл-интерметаллической брони предоставляют широкие возможности для оптимизации ее конструкции.
Реакционные порошковые смеси представляют собой реагирующий зернистый композиционный материал с заданными параметрами макро- и микроскопической неоднородности. Решение проблемы оценки осредненных характеристик поведения таких гетерогенных материалов, известной в механике композитов как проблема прогнозирования эффективных свойств гетерогенной среды, открывает возможности моделирования физико-химических процессов в реагирующих порошковых средах, необходимого для построения теории таких процессов и развития технологий синтеза материалов методами порошковой металлургии для получения новых конструкционных и функциональных материалов и покрытий с заданным комплексом свойств.
Проблема оценки эффективных свойств означает, что гетерогенной реагирующей порошковой смеси, чьи все физикохимические характеристики претерпевают разрыв на границах раздела фаз и компонентов, необходимо поставить в соответствие среду с эффективными свойствами, для которой возможно производить численные оценки локальных и макроскопических параметров с использованием аппарата математической физики, механики композиционных материалов. В то же время исследование поведения (модификации) элемента периодической структуры гетерогенной среды с учетом особенностей концентраций компонентов и фазового состава, параметров термодинамического состояния и реакционной способности в пределах каждого элемента позволяет не только адекватно оценивать эффективные характеристики реагирующей порошковой среды на всех этапах синтеза, но и получать информацию о физических механизмах и определяющих факторах механохимических превращений. Среди основополагающих трудов начала XX века по механике структурно-неоднородных (композиционных) сред можно выделить работы В. Фойта и А. Ройса, предложивших правило механического смешивания для оценки эффективных модулей упругости и податливости неоднородных материалов.
Развитие современной механики композиционных материалов связано с именами В.В. Болотина, Б.Е. Победри, Г.А. Ванина, В.В. Васильева, В.А. Ломакина, Г.Д. Шермергора, Л.П. Хорошуна, Г.П. Черепанова, Дж. Сендецки, Е. Берана, Р. Кристенсена, В.Э. Вильдемана, Ю.В. Соколкина и др. Интенсивное развитие механика гетерогенных сред (структурно-неоднородных сред, композитных материалов) получила в последние десятилетия прошлого века. Наблюдается прогресс в методах прогнозирования механических свойств композитных материалов: упругих характеристик, упругопластических и прочностных параметров микронеоднородных сред. Современные подходы и достижения механики гетерогенных сред отражены в разнообразных монографиях, справочниках и учебных пособиях.
Механические процессы в неоднородных материалах на макроскопическом и микроскопическом уровнях изучались в рамках детерминированных и статистических подходов, учитывающих реальную структуру композитов: случайность взаимного расположения компонентов и статистический разброс их свойств. Решение проблемы учета многочастичного взаимодействия компонентов смеси, накопления пластических деформаций и повреждений компонентов и многих других нелинейных эффектов поведения порошковых материалов в условиях неизотропного и комбинированного нагружения возможно с привлечением квазидетерминированного подхода, рассматривающего в качестве объекта исследования модельную структуру структурно-неоднородного материала. Задача прогнозирования физико-химического поведения смесевых реагирующих порошковых материалов, подвергнутых динамическому нагружению, относится именно к такому классу проблем.
Построение теорий в естественных науках важно с позиций взаимосвязанных феноменологического (основывающегося на эмпирических данных о поведении объекта без полного описания существа явлений) и структурного (заключающегося в описании явления с учетом внутренней структуры рассматриваемого объекта) подходов. В механике композитных материалов феноменологические уравнения и критерии рассматриваются на различных структурных уровнях: на микроскопических и макроскопическом — отражающем поведение неоднородного материала как однородной среды с эффективными свойствами.
Моделирование процессов в гетерогенных порошковых материалах возможно с позиций механики микронеоднородных сред. Модель структуры гетерогенного материала может быть представлена полной информацией о характере расположения компонентов и феноменологических моделей всех фаз. Понятие представительного объема гетерогенной среды, рассмотренное в работе, позволяет оперировать осредненными значениями физических величин, то есть применять феноменологические уравнения и соотношения физики и механики для моделирования откликов гетерогенных сред на внешние воздействия, приписывая элементарным объемам среды dV свойства, экспериментально определяемые на образцах конечных размеров.
Благодаря многоступенчатой иерархии структур и процессов модификации неоднородного материала можно разделить решение исходной задачи моделирования механохимического поведения реагирующих гетерогенных порошковых сред на ряд последовательных этапов, связанных с построением моделей пластического деформирования и разрушения компонентов порошковой смеси, фазовых переходов, диссипации энергии и кинетики химических превращений на микроуровне, процессов тепло- и массопереноса на мезоскопическом уровне ансамбля частиц, макрокинетики физико-химических процессов в реагирующем слое порошковой смеси.