Толщина - реакционная зона
Cтраница 3
Предположим, что продукт возникает в виде пористого слоя, покрывающего компактный реагент. Движение жидкости или газа происходит так же, как и в предыдущем процессе, но с той только разницей, что в данном случае поверхность раздела локализована па дне поры, а не в каждой точке стенки поры. Длина пути, проходимого каждой молекулой, теперь уже определяется не толщиной реакционной зоны на стенке поры, а лишь толщиной слоя продукта и представляет собой постоянную величину; последняя изменяется только по мере накопления продукта. Если поры имеются и в реагенте, то происходит наложение этих двух типов процессов. [31]
Еще одна заманчивая возможность изучения поверхности раздела состоит в стимулировании реакции; соответствующее увеличение зоны взаимодействия облегчает измерения и исследования. Правда, в уже цитировавшейся работе Рэтлиффа и Пауэлла [30] было показано, что в системе титан - карбид кремния изменения кинетики реакции становятся заметными при толщине реакционной зоны около 10 мкм, а известно, что практический интерес представляют реакционные зоны толщиной менее 1 мкм. Однако и здесь общие критерии не могут быть предложены, поскольку интервал толщин реакционной зоны, в котором достигаются практически ценные свойства композита, зависит от системы, размера упрочнителя и многих других факторов. Ноуан и др. [27], например, пришли к выводу, что исследование реакции на поверхности раздела тонких нитевидных кристаллов окиси алюминия ( несколько микрометров в диаметре) представляет почти неразрешимую проблему, хотя реакцию с волокнами окиси алюминия большого диаметра ( 0 25 мм) можно контролировать. [32]
Стабильность поверхности раздела является основным физико-химическим требованием, выполнение которого обеспечивает высокую эксплуатационную надежность композита. Выполнение этого требования зависит, в свою очередь, от условий нагружения. Установлено, например, что прочность при продольном нагруже-нии композитов TI70A - В может быть полностью реализована лишь при толщине реакционной зоны ( диборида титана) менее 0 55 мкм, однако прочность при поперечном растяжении остается неизменной с изменением толщины реакционной зоны от значений, меньших 0 1 мкм, до значений, превышающих 10 мкм. Однако чем сложнее вид нагружения, тем меньше имеется информации о поведении композита; так, почти нет информации об усталостных характеристиках. По-видимому, оптимизация характеристик поверхности раздела применительно к разнообразным условиям нагружения является одной из наиболее насущных проблем при разработке композитных материалов. [33]
Стабильность поверхности раздела является основным физико-химическим требованием, выполнение которого обеспечивает высокую эксплуатационную надежность композита. Выполнение этого требования зависит, в свою очередь, от условий нагружения. Установлено, например, что прочность при продольном нагруже-нии композитов TI70A - В может быть полностью реализована лишь при толщине реакционной зоны ( диборида титана) менее 0 55 мкм, однако прочность при поперечном растяжении остается неизменной с изменением толщины реакционной зоны от значений, меньших 0 1 мкм, до значений, превышающих 10 мкм. Однако чем сложнее вид нагружения, тем меньше имеется информации о поведении композита; так, почти нет информации об усталостных характеристиках. По-видимому, оптимизация характеристик поверхности раздела применительно к разнообразным условиям нагружения является одной из наиболее насущных проблем при разработке композитных материалов. [34]
Исследование скоростей реакций проводится с различными целями. Данные о кинетике реакций используются при выборе комбинаций упрочнитель - матрица и технологических процессов, обеспечивающих снижение степени химического взаимодействия, при определении долговечности композита, а также при разработке способов регулирования кинетики. Однако, чтобы использовать - эти данные для решения всех указанных выше задач, необходимо, как было указано в гл. Основные из них состоят в следующем: геометрия и толщина реакционной зоны должны быть близки к тем, которые существуют в композитном материале, а температура испытания должна соответствовать температуре процесса получения материала или его эксплуатации. [35]
В пламени без присадок процесс ионизации протекает в зоне реакции. Толщина реакционной зоны ацетилено-воздушного пламени при атмосферном давлении составляет доли миллиметра. Определение тока насыщения в такой тонкой зоне затруднено. Более удобно проводить измерения в пламени низкого давления ( 10 - 20 мм рт. ст.), когда толщина реакционной зоны достигает 10 - 15 мм. [36]
Допустимая степень взаимодействия компонентов в системах третьего класса зависит от многих других характеристик композита. Одна из важнейших характеристик - сопротивление распространению каждого конца трещины в реакционной зоне, поскольку оно определяет величину раскрытия трещины, а следовательно, и создаваемую трещинами концентрацию напряжений. Согласно всем имеющимся данным, допустимая длина трещины в системе титан - бор увеличивается с ростом предела упругости титановой матрицы. Однако если волокно не абсолютно упруго, а обладает определенной пластичностью, то критическая длина трещины может быть много больше. Значит, много больше может быть и толщина реакционной зоны. Соответствующий пример, относящийся к системе псевдопервого класса, имеется в работе Джонса [23], который исследовал композиты алюминиевый сплав 2024 - нержавеющая сталь. Хотя на большинстве образцов взаимодействия не наблюдалось, в нескольких случаях на малоугловом шлифе была обнаружена третья фаза вокруг волокон. [37]
Исследование способов, позволяющих замедлить рост зоны взаимодействия, является очень важным аспектом проблемы разработки практически ценных композитов. Как указывалось выше, матрицы, представляющие наибольший практический интерес, обычно более реакционвоспосабны, чем матрицы, на примере которых демонстрировали справедливость теорий композитов. Проблема дополнительно осложняется тем обстоятельством, что композиты с металлической матрицей особенно нужны для эксплуатации при повышенных температурах. Исследование кинетики диффузионных процессов и выяснение механизмов диффузии являются основными условиями для построения строгой теории поверхностей раздела и для решения с ее помощью проблемы получения требуемых характеристик поверхности раздела. Исследование процессов и механизмов диффузии необходимо проводить применительно к той области толщин реакционной зоны, которая характерна для практически ценных композитов; часто это означает, что объектом исследования должны стать зоны толщиной менее 1 мкм. Рост реакционной зоны, особенно в характерных для композита условиях стеснения, нередко приводит к изменению механизма диффузии: Рэтлифф и Пауэлл [30], например, наблюдали изменение механизма диффузии при взаимодействии между титановыми сплавами и карбидом кремния при толщине зоны 10 мкм и связали его с появлением новых продуктов реакции. Хотя столь большая толщина находится за пределами интересующей нас области, эти данные подтверждают изменение механизма диффузии на поздних стадиях роста реакционной зоны. Впрочем, могут иметь место и более тонкие изменения, обусловленные увеличением концентрации вакансий. [38]
 |
РЭМ ультрадисперсных частиц ТЮ2 ( а и материала, полученного при их спекании ( б. [39] |
Алюминий склонен взаимодействовать с бором как с фазой II в условиях получения и эксплуатации, что приводит к развитию на границе фаз хрупких зон и снижению прочности материала. Допускается прессование при 480 - 550 С без снижения прочности волокон. При повышении температуры на поверхности раздела фаз начинают образовываться игольчатые кристаллы А1В2, прорастающие в матрицу. При 730 С растворимость бора в матрице составляет 0 9 %; при этом толщина реакционной зоны достигает примерно 1 мкм. [40]
Большинство технически важных процессов в системе жидкость - жидкость не включает в себя стадии с очень низкими константами скорости. В этом случае смесители не могут быть рассчитаны на основе рассмотренных выше принципов. Следует принимать во внимание ограничения, обусловленные массопередачей. Однако они имеют ограниченное приложение для промышленных аппаратов, где потоки резко отличаются от идеальных, а скорость массопередачи и, следовательно, толщина реакционной зоны зависят от степени перемешивания. Поэтому расчет промышленных реакторов еще в значительной степени является эмпирическим. [41]
 |
Влияние увеличения диаметра волокна на его остаточную прочность. 1 - волокно небольшого диаметра. 2 - волокно большого диаметра. [42] |
Ниобиевые спла - вы с более низкой плотностью, такие, как FS85, AS30 и В88 изготовляются в виде проволоки. Однако из-за более низкой плотности ниобия удельная прочность является более благоприятной. Наличие таких высокопрочных волокон позволяет создавать композиционные материалы с улучшенной прочностью. Ожидается дальнейшее повышение прочности проволоки. Размер волокна является другим переменным фактором, с помощью которого можно увеличить длительную прочность композиционного материала. Поскольку взаимодействие матрицы с волокном служит основной причиной снижения свойств и так как степень потери свойств для композиций, упрочненных тугоплавкой проволокой, связана с глубиной зоны взаимодействия в волокне, прочность композиции может быть повышена путем увеличения площади сердцевины волокна, где отсутствует взаимодействие. Как показано на рис. 11, глубина зоны взаимодействия по существу одинакова как для волокон меньшего диаметра, так и волокон большего диаметра. Однако процент площади, где отсутствует взаимодействие компонентов, значительно больше для волокна с большим диаметром. В то же время волокно с меньшим диаметром имеет более высокую длительную прочность по сравнению с волокном большего диаметра. Таким образом, оба эффекта должны уравновесить друг друга. Для кратковременной службы, при которой глубина зоны взаимодействия очень мала, использование волокон малого диаметра обусловливает повышенную прочность композиций; для более продолжительного времени, предпочтительнее использовать волокна большего диаметра. Специфические условия протекания процессов взаимодействия нитей - из вольфрама 218 указывают на то, что лучшие свойства для работы при 1090 С и выдержках 100 и 1000 ч обеспечиваются использованием волокон с диаметром 0 38 мм. При выборе волокон необходимо учитывать, что прочность зависит от их размера и толщины реакционной зоны. [43]
Страницы: 1 2 3