Физическая модель процесса воздействия электрического поля на композиционные материалы

Как известно, воздействие электрического поля на композиционные материалы (КМ) на основе металлической матрицы приводит к росту их механических свойств [1, 2]. Для решения проблемы дальнейшего оптимального развития перспективных способов получения КМ, в которых используется электрофизическая обработка, необходимо разработать и применять оптимальную физическую модель влияния электрического поля на формирование структуры КМ.

За основу физической модели, которая может объяснить возникновение эффекта воздействия электрического поля, следует, по нашему мнению, учитывать физические явления связанные с массопереносом в металлическом расплаве и с возникновением электрических зарядов на поверхности частиц композита. Как показали предварительные металлографические исследования для иллюстрации процессов, происходящих в КМ при обработке электрическим полем, можно применить физическую модель, которая схематично приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема физической модели

На первом этапе (позиция 1), когда напряжённость электрического поля Е равна нулю, по объёму расплава распределяется   армирующий наполнитель 1 в виде частиц композита. Силовое поле твёрдой поверхности частиц, возникающее при контакте с жидким сплавом, ослаблено на выступающих концах частиц композита [3] и поэтому здесь изменяется величина межфазной энергии и увеличивается смачиваемость твёрдой фазы КМ жидкой фазой матричного расплава. В следствие этого происходит захват частицами КМ атомов химических элементов 2 из металлического расплава.

На втором этапе (позиция 2) напряжённость электрического поля Е не равна нулю и под влиянием флуктуации энергии (см. рис. 1) возникают заряды поверхностей частиц композита. Вероятность данной флуктуация энергии W согласно формулы Эйнштейна равна

W = exp ( - A/kT),

где A – работа заряженной иона химического элемента металлического расплава против сил электростатического отталкивания;

При этом [4] работа А равна

A = goφ/2,

где go – начальный электрический заряд.

Тогда объёмная плотность электрического заряда Q будет равна     

Q = go/V,

где V – объём частицы композита.

Под влиянием потока электронов и ионов ускоренных внешним электрическим полем на поверхности частиц композита 3 (см. рис. 1) возникает дополнительный электрический заряд ∆g. Это приводит к росту объёмной плотности электрического заряда Q частиц КМ, т.е.

где ∆g – приращение величины начального заряда go частицы композита;

изменение объёма частицы композита во времени t за счёт формирования на её поверхности слоя ионов металлов.

Одновременно в результате протекания электрического тока, вызванного движением заряженных частиц в матричном расплаве под влиянием электрического поля, выделяется джоулево тепло, которое приводит к образованию конвективных потоков 4, интенсифицирующих в расплаве перемещение частиц КМ. Эти перемещения частиц композита способствуют более равномерному распределению в объёме матричного расплава армирующего наполнителя.

На третьем этапе (позиция 3) происходит образование дополнительных слоёв ионов металлов 5 на поверхности заряженных частиц композита под воздействием ускоренных электрическим полем электронов и ионов, движущихся по расплаву металла и вызывающих электрический ток. При этом, как известно, величина джоулева тепла пропорциональна квадрату силы тока, возникающего в металлическом расплаве.

На четвёртом этапе (позиция 4) наблюдается сращивание заряженных частиц КМ друг с другом за счёт сил взаимодействия, полученных благодаря зарядам, образованных ионами на их поверхности. За счёт этого возникают пространственные макрочастицы 6, которые служат «скелетом» для образующейся структуры КМ. Такое упрочнение структуры и вызывает рост механические свойства обработанных электрическим полем КМ, что обуславливает возникновение эффекта внешнего воздействия (ЭВВ) формирование структуры КМ.

Рисунок 2. Периоды внешнего воздействия электрического поля на металлический расплав с частицами КМ

Этот процесс можно представить в виде схемы (см. рис. 2), на котором представлена последовательность внешнего воздействия электрического поля на металлический расплав с введёнными в него частицами композита. Из представленной схемы видно, что при наложении на расплав металла с частицами КМ происходит одновременное влияние на них потока электронов и, вызванное протеканием в металлическом расплаве электрического тока, выделение джоулева тепла. Это приводит к изменению заряда частиц КМ и возникновению конвективных потоков, которые интенсифицируют массоперенос в матричном расплаве. Под влиянием ЭВВ в расплаве металла образуются макрочастицы, состоящие из скоплений заряженных частиц КМ. Макрочастицы в процессе кристаллизации металла служат «скелетными» образованиями, которые армируют структуру КМ.

Можно предположить, что армирующее влияние проявляется при кристаллизации матричного сплава, когда растущие зародыши кристаллов будут соприкасаться с макрочастицами и создадут единую, упрочнённую структуру КМ. Такое модифицирующее влияние ЭВВ на металлический расплав с введёнными в него частицам КМ приводит к фазовому и структурному усложнению твёрдофазной системы, что позитивно скажется на физических и технологических свойствах КМ. Это позволит у известных по составу КМ получить новые свойства необходимые для повышения надёжности и долговечности изготовленных из них деталей.

Таким образом, обработка электрическим полем может служить инструментом для направленного воздействия на формирование структуры КМ. Возникающий при этом ЭВВ даст возможность достичь заданные механические и эксплуатационные свойства у КМ и изготовленных из них деталей машин и механизмов.

Литература:

1. Миненко Г.Н. Влияние обработки электрическим полем на свойства композиционного материала с алюминиевой матрицей, «Литьё Украины», 2018, № 4, с. 7-8.
2. Миненко Г.Н. Способ электрофизической обработки металломатричного композиционного материала, «Литьё Украины», 2018, № 7, с. 2-3.
3. Даркен Л.С., Гурри Р.С. Физическая химия металлов М., «Металлургиздат», 1962, 582 с.

ИТБ "Литье Украины", №9 (217) 2018 г.