Wetenschappers uit Chernogolovka ontdekten hoe de sterkte van de binding tussen de aluminiummatrix en koolstofvezel de sterkte van koolstof-aluminiumcomposieten beïnvloedt. Het bleek dat de verzwakking ervan de sterkte van het materiaal als geheel verhoogt en het beter bestand maakt tegen scheurvoortplanting. De resultaten van het werk zullen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe composieten die metalen componenten in de lucht- en ruimtevaartindustrie zullen vervangen. De studie werd ondersteund door een subsidie ​​van de Russian Science Foundation.

Koolstofvezel, of gewoon koolstofvezel, bestaat uit dunne strengen amorfe koolstof en staat bekend om zijn sterkte, lichtheid, gebrek aan thermische uitzetting en chemische weerstand. Dit maakt het een kansrijke basis voor luchtvaart- en ruimtevaartmaterialen. Meestal wordt het gebruikt om de kunststofmatrix in koolstofvezelcomposieten te versterken. Veel krachtbronnen van vliegtuigen kunnen echter niet van dit materiaal worden gemaakt vanwege de lage scheurweerstand. Breekbaar plastic kan worden vervangen door licht en kneedbaar aluminium of zijn legering.

“Naast de vezel en de matrix draagt ​​ook hun interface bij aan de mechanische eigenschappen van het composiet. Als de sterkte van de verbinding ertussen te hoog is, zal niets de verspreiding van een scheur in een dergelijk materiaal voorkomen, waardoor het voortijdig zal falen. In ons werk hebben we een nieuwe benadering voorgesteld om de interface te verzwakken door het matrixmateriaal te selecteren. Vergeleken met andere methoden die hiervoor werden gebruikt, bleek onze methode veel efficiënter, eenvoudiger en goedkoper. Ik hoop dat dit ons in staat zal stellen om het zo snel mogelijk in het eindproduct te implementeren”, zegt Sergey Galyshev, projectmanager van de Russian Science Foundation, Candidate of Technical Sciences, senior onderzoeker aan het Yu. A. Osipyan Institute of Solid State Physics van de Russische Academie van Wetenschappen.

Onderzoekers van het Institute of Solid State Physics RAS en het Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science vernoemd naar AG Merzhanov RAS (Chernogolovka) analyseerden welke stoffen aan aluminium kunnen worden toegevoegd zodat de binding tussen de matrix en de vezel minder sterk is dan bij gebruik van puur aluminium. De keuze viel op tin - het mengt goed met aluminium in de vloeibare fase, maar vormt er geen nieuwe verbindingen mee, evenals met koolstof (zelfs bij het vervaardigen van een composiet bij temperaturen boven 600 ° C). De auteurs maten de mechanische eigenschappen van materialen met een verschillend tingehalte in de matrix, de maximale concentratie was 50 atoomprocent (voor hun berekening wordt niet de massa, maar het aantal atomen gebruikt).

Het bleek dat de eigenschappen van het composiet bijna lineair veranderden met een toename van de hoeveelheid tin: de sterkte van de matrix en het grensvlak nam af, maar de sterkte van het gehele materiaal nam toe van 1450 naar 2365 MPa (ter vergelijking, de sterkste aluminiumlegeringen hebben een sterkte van niet meer dan 850 MPa). Deze afhankelijkheid wordt verklaard door een meer uniforme verdeling van de belasting op de vezel en een lagere spanningsconcentratie aan het einde van een eventuele scheur. Met andere woorden, dit kan worden verklaard door het feit dat de zwakke grens een soort mechanische zekering is voor scheurvoortplanting. Deze laatste bereikt het contactpunt tussen de componenten van de composiet, maar gaat niet langs het initiële traject, maar langs de grens. Van richting veranderen kost energie en verdere scheurvermeerdering is niet rendabel voor het systeem.

“We geloven dat het mogelijk is om door de matrix te legeren met tin en andere elementen, de sterkte van het koolstof-aluminiumcomposiet verder te vergroten, wat onze groep in de volgende experimenten gaat testen. Hier zijn veel voorwaarden voor, bijvoorbeeld het sterkste monster dat we tot nu toe hebben weten te bemachtigen, heeft een sterkte van bijna 3000 MPa”, somt Oleg Averichev, kandidaat voor technische wetenschappen, onderzoeker bij ISMAN RAS op.

Materialen van het artikel "The Effect of Tin Content on the Strength of a Carbon Fiber/Al-Sn-Matrix Composite Wire" werden gebruikt; Sergei Galyshev, Valery Orlov, Bulat Atanov, Evgeniy Kolyvanov, Oleg Averichev, Tigran Akopdzhanyan; Metals Magazine, Special Issue Aluminium and Magnesium Alloys and Composites: Forming, Preparation, and Processing, december 2021

bbabo.Net