Vedci z Černogolovky zisťovali, ako pevnosť väzby medzi hliníkovou matricou a uhlíkovými vláknami ovplyvňuje pevnosť uhlíkovo-hliníkových kompozitov. Ukázalo sa, že jeho oslabenie zvyšuje pevnosť materiálu ako celku a robí ho odolnejším voči šíreniu trhlín. Výsledky práce pomôžu pri vývoji nových kompozitov, ktoré nahradia kovové komponenty v leteckom a vesmírnom priemysle. Štúdia bola podporená grantom od Ruskej vedeckej nadácie.
Uhlíkové vlákno alebo jednoducho uhlíkové vlákno je tvorené tenkými vláknami amorfného uhlíka a je známe svojou pevnosťou, ľahkosťou, nedostatočnou tepelnou rozťažnosťou a chemickou odolnosťou. To z neho robí sľubný základ pre letectvo a vesmírne materiály. Typicky sa používa na vystuženie plastovej matrice v kompozitoch z uhlíkových vlákien. Mnohé pohonné jednotky lietadiel však nie je možné vyrobiť z tohto materiálu pre jeho nízku odolnosť proti praskaniu. Krehký plast možno nahradiť ľahkým a tvárnym hliníkom alebo jeho zliatinou.
„Okrem vlákna a matrice sa na mechanických vlastnostiach kompozitu podieľa aj ich rozhranie. Ak je pevnosť väzby medzi nimi príliš vysoká, nič nebude brániť šíreniu trhliny v takomto materiáli, v dôsledku toho dôjde k jeho predčasnému zlyhaniu. V našej práci sme navrhli nový prístup k oslabeniu rozhrania výberom materiálu matrice. V porovnaní s inými metódami, ktoré sa na to používajú, sa naša metóda ukázala ako oveľa efektívnejšia, jednoduchšia a lacnejšia. Dúfam, že nám to umožní čo najskôr ho implementovať do hotového produktu,“ hovorí Sergey Galyshev, projektový manažér Ruskej vedeckej nadácie, kandidát technických vied, vedúci výskumník v Inštitúte fyziky pevných látok Yu. A. Osipyan. Ruskej akadémie vied.
Vedci z Ústavu fyziky pevných látok RAS a Ústavu štruktúrnej makrokinetiky a problémov materiálovej vedy pomenovaného po AG Merzhanov RAS (Černogolovka) analyzovali, ktoré látky možno pridať do hliníka tak, aby väzba medzi matricou a vláknom bola menej pevná ako v prípade použitia čistého hliníka. Voľba padla na cín - dobre sa mieša s hliníkom v tekutej fáze, ale netvorí s ním nové zlúčeniny, rovnako ako s uhlíkom (dokonca aj v procese výroby kompozitu pri teplotách nad 600 °C). Autori merali mechanické charakteristiky materiálov s rôznym obsahom cínu v matrici, jeho maximálna koncentrácia bola 50 atómových percent (na ich výpočet sa nepoužíva hmotnosť, ale počet atómov).
Ukázalo sa, že vlastnosti kompozitu sa s nárastom množstva cínu menili takmer lineárne: pevnosť matrice a rozhrania sa znížila, ale pevnosť celého materiálu vzrástla z 1450 na 2365 MPa (pre porovnanie, najpevnejšia zliatiny hliníka majú pevnosť maximálne 850 MPa). Táto závislosť sa vysvetľuje rovnomernejším rozložením zaťaženia na vlákno a nižšou koncentráciou napätia na konci možnej trhliny. Inými slovami, možno to vysvetliť tak, že slabá hranica je druh mechanickej poistky na šírenie trhliny. Ten dosiahne bod kontaktu medzi komponentmi kompozitu, ale nejde pozdĺž počiatočnej trajektórie, ale pozdĺž hranice. Zmena smeru vyžaduje energiu a ďalšie šírenie trhlín je pre systém nerentabilné.
„Veríme, že legovaním matrice cínom a ďalšími prvkami je možné ďalej zvýšiť pevnosť uhlíkovo-hliníkového kompozitu, ktorý sa naša skupina chystá otestovať v ďalších experimentoch. Je na to veľa predpokladov, napríklad najsilnejšia vzorka, ktorú sa nám doteraz podarilo získať, má silu takmer 3000 MPa,“ zhŕňa kandidát technických vied Oleg Averichev, vedecký pracovník ISMAN RAS.
Boli použité materiály z článku "Vplyv obsahu cínu na pevnosť kompozitného drôtu z uhlíkových vlákien/Al-Sn-Matrix"; Sergei Galyshev, Valery Orlov, Bulat Atanov, Evgeniy Kolyvanov, Oleg Averichev, Tigran Akopdzhanyan; Magazín Metals, špeciálne vydanie Hliníkové a horčíkové zliatiny a kompozity: tvarovanie, príprava a spracovanie, december 2021
bbabo.Net