Композиционные материалы

Композиционными называют материалами, состоящие из двух (и более) материалов. При таком сочетании возможно совмещение положительных качеств каждого составляющего, и получение нового материла с улучшенными прочностными свойствами.

Композиционные материалы (КМ) — это материалы, обладающие следующей совокупностью признаков:

• состоят из двух или более компонентов, различающихся по своему химическому составу и разделенных выраженной границей;
• имеют новые свойства, отличающиеся от свойств, составляющих эти материалы компонентов;
• неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе;
• свойства определяются каждым из компонентов, которые в связи с этим должны содержаться в материале в достаточно большом количестве (больше некоторого критического значения).

Композиционные материалы (КМ) состоят из матрицы (или связующего) и упрочняющего (или армирующего) материала. В зависимости от рода входящих в состав материалов различают металлические и неметаллические композиционные материалы.

Матрица придает изделию из КМ заданную форму и монолитность, обеспечивая передачу и перераспределение нагрузки по объему материала, защищает армирующие элементы от внешних воздействий. Тип матрицы определяет технологические параметры процесса получения композита и его эксплуатационные характеристики (плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление воздействию агрессивных сред и усталостному разрушению).

Композиционные материалы классифицируют по следующим основным признакам: типу матрицы, виду армирующего элемента, особенностям макростроения и методам получения.

По способу упрочнения подразделяют дисперсноупрочненные и волокнистые КМ.

По типу материала матрицы КМ могут быть:

1. полимерные (термопласты, реактопласты, смеси);
2. металлические (в том числе материалы, получаемые методами порошковой металлургии, и сплавы, состоящие из макронеоднородных фаз);
3. неорганические (неорганические полимеры, минералы, углерод, керамика);
4. комбинированные (полиматричные).

Армирующие или упрочняющие элементы распределены в матрице равномерно. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью, большим модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Армирующие элементы вводят в композиционный материал с целью изменения его свойств (увеличения прочности, жесткости и пластичности; изменения плотности, электрических, теплофизических и других характеристик в различных направлениях и отдельных местах изделия). Армирующий или упрочняющий компонент часто называют «наполнителем». Во многих случаях наполнителями называют элементы, применение которых позволяет достичь не более чем 1,5…2-кратного повышения прочности матрицы. Армирующие элементы (арматура) — высокопрочные усы, волокна, ткани, которые при соответствующем содержании в композиции способствуют повышению прочности материала в 2…10 и более раз по сравнению с прочностью матрицы.

В композиционном материале могут находиться и наполнители, и армирующие элементы.

По геометрии наполнителя (армирующего компонента) КМ подразделяют на три группы:

1. С нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок. К таким наполнителям относят дисперсные (преимущественно порошковые) наполнители (сажа, песок, мелкодисперсные металлы, фосфаты, стеклянные и кремнеземные микросферы и т. д.).
2. С одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит дна других. Одномерные наполнители — это волокнистые и армирующие элементы. К ним относятся природные коротковолокнистые (асбест), растительные (сизаль, джут), высокомодульные нитевидные (оксид и нитрид алюминия, оксид бериллия, карбид бора, нитрид кремния) кристаллы, а также длинномерные стеклянные, углеродные, базальтовые, борные, керамические, металлические, низко- и высокомодульные органические волокна.
3. С двухмерными наполнителями, размеры которых значительно превосходят третий. К двухмерным наполнителям относят ленточные, тканевые (состоящие из любых видов волокон и их сочетаний), сеточные и другие армирующие элементы.

В качестве наполнителей композиционных материалов применяют непрерывные волокна, проволоку и дисперсные частицы. Наиболее высокими характеристиками прочности и модуля упругости обладают дискретные одномерные наполнители в виде нитевидных кристаллов (табл. 1).

Нитевидные кристаллы — это очень тонкие волокна с монокристаллической структурой, диаметром 1…30 мкм и отношением длинны к диаметру в пределах 500…5000. Данный вид наполнителей получают путем осаждения из газовой фазы и методом транспортных химических реакций. Технология изготовления нитевидных кристаллов обеспечивает идеальное монокристаллическое строение волокна с минимальным количеством дефектов решетки, что способствует достижению высокой прочности, приближающейся к ее теоретическим значениям.

Таблица 1.

Механические свойства высокопрочных армирующих элементов

Непрерывные стеклянные волокна получают, главным образом, из разогретой стекломассы. Нити, выходящие из фильер, соединяют в пряди и наматывают на бобину.

Сырьем для получения углеродных волокон служат органические волокна вискозы или полиакрилнитрила, а также смолы и пек (каменноугольный и нефтяной).

Волокна изготавливают многократной вытяжкой, главной целью которой является повышение структурной ориентации и соответствующее улучшение их механических свойств. Далее волокна подвергают пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере и в результате многоступенчатой обработки, включающей карбонизацию и графитизацию, получают углеродные волокна, состоящие на 98 % из графита. Соблюдение необходимых параметров процесса обработки обеспечивает сохранение волокнистого строения с линейной ориентацией структурных элементов исходных продуктов.

Борные волокна изготавливают путем их осаждения из газовой фазы на подложки в виде углеродных нитей.

К классу непрерывных наполнителей металлических материалов относятся также проволоки из различных сплавов.