Преимущества композиционных материалов
Композиционный материал
Композиционный материал (КМ), (композит) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними.
В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на:
- армирующие элементы (наполнители), которые обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.)
- матрицу (связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды;
Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а так же прочностью связей между ними. Характеристики создаваемого изделия, как и его свойства, зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.
В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется композиция обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и включающий новые свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.
Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы:
- гетинакс и текстолит – слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем;
- стекло- и графитопласт – ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями;
- фанера…;
- булат — один из древнейших композиционных материалов. В нём тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.
В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.
Классификация композитов
Композиты обычно классифицируются по виду армирующего наполнителя:
- волокнистые (армирующий компонент — волокнистые структуры);
- слоистые;
- наполненные пластики (армирующий компонент — частицы)
- насыпные (гомогенные),
- скелетные (начальные структуры, наполненные связующим).
Также композиты иногда классифицируют по материалу матрицы:
- композиты с полимерной матрицей,
- композиты с керамической матрицей,
- композиты с металлической матрицей,
- композиты оксид-оксид.
Преимущества композиционных материалов
Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Исключением являются препреги, которые являются полуфабрикатом для изготовления конструкций.
Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.
- высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)
- высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 — 240 ГПа)
- высокая износостойкость
- высокая усталостная прочность
- из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции
- легкость
Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.