Принципы создания и основные типы композиционных материалов

Композиционные материалы обладают комплексом свойств, отличаю­щихся от традиционных конструкционных материалов, что и предопредели­ло их успешное применение для совершенствования современных и разра­ботки принципиально новых конструкций. Композиционными называют ма­териалы, состоящие из двух компонентов и более, объединенных различны­ми способами в монолит и сохраняющими при этом индивидуальные осо­бенности.

Для композиционных материалов характерна следущая совокупность признаков:

• состав, форма и распределение компонентов материала определены за­ранее;

• материалы состоят из двух компонентов и более различного химическо­го состава, разделенных в материале границей;

• свойства материала определяются каждым из его компонентов, содер­жание которых в материале достаточно большое;

• материал обладает свойствами, отличными от свойств компонентов, взя­тых в отдельности;

• материал однороден в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе;

• материал не встречается в природе, а является созданием человека.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическо­му признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объе­му, является матрицей. Компонент же прерывный, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использо­ваны металлы и их сплавы, а также полимеры органические и неорганиче­ские, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы оп­ределяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабо­чую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матри-

цу. Более широким понятием, чем армирующий или упрочняющий компо­нент, является термин «наполнитель», поскольку наполнитель в матрице по­мимо изменения прочности оказывает влияние и на другие характеристики композиции.

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполните­ля, расположению его в матрице и природе компонентов.

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяют на три группы:

• с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;

• с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит два других;

• с двухмерными наполнителями, размеры которых значительно превос­ходят третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы компози­ционных материалов:

• с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;

• с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя в виде волокон, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;

• с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его распределении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

• композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;

• композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;

• композиционные материалы, содержащие компонент из неметалличес­ких элементов, углерода, бора и др.;

• композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).

В названную классификацию не входят полиармированные композици­онные материалы, содержащие чередующиеся слои двух композиций или более, с матрицами, отличающимися химическим составом.

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и прочности связи между ними. Обыч­но компоненты для композиционного материала выбирают со свойствами, существенно отличающимися друг от друга.

30-20-

^B4C-A1 Боропластики / Углепластики J-

AljOj-Al

z 2 ю .a. Ь*

-Ni

A1203

5-14 з-ho

Ве-А1—с г jq— 4 г-1 LJ\ 1---- ' L>--B-Ni

Композиционные мате­риалы по сравнению с со­временными конструкцион­ными материалами обнару­живают более высокую удельную жесткость (Е/р) и удельную прочность (оУр) (рис. 10.1).

—г— 20

—i—50

£/p, 10 км Рис. 10.1. Удельная прочность и удельный модуль упругости алюминия (7), стали и титана (2), стек­лопластиков (5), бериллия {4) и некоторых компо­зиционных материалов

Модуль упругости ком­позиционных материалов мо­жет изменяться в требуемом направлении в зависимости от схемы армирования. Высокая надежность в работе конст­рукций из композиционных материалов связана с особен­ностями распространения в них трещин. В обычных спла­вах трещина развивается бы­стро и скорость роста ее в период работы конструкции детали возрастает. В ком­позиционных материалах трещина обычно возникает и развивается в матрице и встречает препятствия на границе матрица — упрочнитель. Армирующий эле­мент тормозит ее распространение, задерживая на некоторое время ее рост.