Композиционные материалы (КМ)

Это гетерофазные (состоящие из различных по физическим и химическим свойствам фаз) системы, полученные из двух и более компонентов с сохранением индивидуальности каждого из них.

При этом:

• состав, форма и распределение компонентов "запроектированы" заранее;

• компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала;

• материал имеет новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих его компонентов;

• материал является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная граница раздела).

Компонент, непрерывный во всем объеме материала, называется матрицей; прерывистый, разъединенный в объеме композиции, – армирующим элементом. Понятие "армирующий" означает "введенный в материал с целью изменения сто свойств" (не обязательно упрочняющий).

Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими или армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.

Композиционные материалы обладают таким комплексом свойств, который недостижим в традиционных металлических и полимерных материалах. Они значительно превосходят их по удельной прочности, сопротивлению усталости, жаропрочности и другим физическим и специальным свойствам.

Классифицируют КМ по следующим основным признакам: материалу матрицы и армирующих элементов, геометрии компонентов, структуре и расположению компонентов, методу получения.

Общее название, как правило, происходит от материала матрицы. КМ с металлической матрицей называют металлическими КМ, с полимерной – ПКМ, с неорганической – неорганическими КМ. Материалы, содержащие два и более различных по составу или природе матричных материала, называют полиматричными.

Характеристика КМ по материалу матрицы и армирующих элементов указывает на их природу. Название полимерных КМ состоит обычно из двух частей: в первой указывается материал волокна, вторая часть – слово "пластик" или "волокнит". Например, материалы, армированные стекловолокном, называются стеклопластиками или стекловолокнитами; металлическими волокнами – металлопластиками (мсталловолокнитами); органическими волокнами – органоиластиками; углеродным волокном – углепластиками (углеволокнитами) и т.д.

В соответствии с геометрией армирующих элементов КМ делятся на порошковые (гранулированные), волокнистые и пластинчатые.

К первой группе относятся КМ типа псевдосплавов и другие композиции, получаемые из смесей различных порошков. Ко второй – КМ, армированные непрерывными и дискретными волокнами. К третьей – непрерывными и дискретными пластинами (например, слоистые КМ, представляющие собой набор из чередующихся листов фольги из стали, алюминия и титана). Максимальный размер дискретных волокон и пластин в материалах второй и третьей групп соизмерим с характерным размером образца КМ.

В соответствии с классификацией по структуре и расположению компонентов КМ разделяются на группы с каркасной, матричной, слоистой и комбинированной структурой.

К материалам с каркасной структурой относятся, например, псевдосплавы, полученные методом пропитки, с матричной – армированные КМ, со слоистой – композиции, полученные из набора чередующихся листов различной природы или состава, с комбинированной – материалы, содержащие комбинации первых трех групп.

Композиты с матричной структурой могут быть армированы элементами, имеющими хаотичную ориентацию в пространстве (дисперсными включениями, дискретными или непрерывными волокнами). В этом случае материал является изотропным или квазиизотропным. Если армирующие элементы ориентированы в пространстве определенным образом, то КМ относятся к упорядоченно-армированным. Они подразделяются на одноосно-армированные или однонаправленные (с расположением волокон вдоль одной оси), двухосно-армированные (с плоскостным расположением арматуры) и трехосно-армированные (с объемным расположением арматуры).

В зависимости от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности.

Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В этом случае при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества практически нерастворяющихся в ней частиц второй фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации. Высокая прочность достигается при размере частиц 10–500 нм при среднем расстоянии между ними 100–500 нм и равномерном распределении в матрице. Оптимальное ОГЛАВЛЕНИЕ второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5–10% объема.

Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные и с непрерывным волокном. Дискретные волокна диаметром от долей до сотен микрометров располагаются в матрице хаотично. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

На рис. 3.2 приведены схемы структуры композиционных материалов.

Рис. 3.2. Схемы структуры композиционных материалов:

а – с дисперсными частицами; б – прерывистыми волокнами; в – непрерывными волокнами

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу (рис. 3.3, а; 3.4). Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры (рис. 3.3, б, в).

Рис. 3.3. Плетеные композиционные материалы:

а – с тканевой структурой; б, в – пространственной структурой

Рис. 3.4. Образцы композиционных тканей с разной структурой

В композиционных материалах с неметаллической матрицей используют полимерные, углеродные и керамические материалы.

Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Углеродные матрицы, коксованные или пироуглеродные, получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат: стеклянные, углеродные, борные, органические волокна па основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.).

Свойства КМ зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Помимо приведенных схем классификации из-за разнообразия КМ существуют иные классификационные признаки. Например, в табл. 3.1 дана классификация КМ по виду и сочетанию компонентов.

Таблица 3.1

Классификация комбинированных композиционных материалов по видам сочетаний и расположению компонентов

Расположение компонентов	Комбинация компонентов
	полиматричные	полиармированные
Одноосное		…	…	…
Двухосное
Трехосное			…

Полиармированные КМ могут быть простыми, если содержат армирующие компоненты различной природы, но одинаковой размерности, и комбинированными, если содержат армирующие компоненты различной размерности и природы. Например, стеклоуглепластик является простым полиармированным КМ, а бороалюминий с прослойками из титановой фольги – комбинированным полиармированным КМ.

Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. ОГЛАВЛЕНИЕ упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60–80% объема, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20–30% объема. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50–100%), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение КМ повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.