13.3. Композиционные материалы

Общая характеристика и классификация.

Композиционные материалы по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы (рис. 13.17). Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала. При этом материалу придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкции.

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые друг в друге компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.

Принцип создания композиционных материалов заимствован у природы. Примером естественных

Рис. 13.17. Удельная прочность и удельный модуль упругости некоторых неармированных и композиционных материалов, армированных 50 об. % волокон: 1 — алюминий; 2 — титан и сталь; 3 — титан, армированный бериллиевой проволокой; 4 — титан, армированный волокнами SiC; 5 - титан, армированный волокнами борсика; 6 — алюминий, армированный бориыми волокнами; 7 — эпоксидная смола, армированная волокнами графита; 8 — эпоксидная смола, армированная борными волокнами

композиционных материалов могут служить стволы и стебли растений, кости человека и животных. В дереве волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином, в костях тонкие прочные нити фосфатных солей - пластичным коллагеном.

Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью композиционных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

Основой композиционных материалов (матриц) служат металлы или сплавы (композиционные материалы на металлической основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (композиционные материалы на неметаллической основе).

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. Созданы композиционные материалы с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев (двух или более) различного химического состава.

Композиционные материалы с комбинированными матрицами называют полиматричными (рис. 13.18, а). Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность материала в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). Поскольку главную роль в упрочнении композиционных материалов играют наполнители, их часто называют

Рис. 13.18. Схемы полиматричного (а) и полиармированного (б) композиционных материалов

упрочнителями. Упрочнители должны обладать высокими прочностью, твердостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства композиционного материала, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. Наполнители называют еще армирующими компонентами. Это более широкое понятие, чем «упрочнитель». Оно не конкретизирует роль наполнителя и поэтому показывает, что наполнитель вводится в матрицу для изменения не только прочности, но и других свойств.

Свойства композиционного материала зависят также от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 13.19,а): нуль-мерные (1), одномерные (2), двумерные (3).

Нуль-мерными называют наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). Двумерные наполнители имеют два размера, соизмеримые с размером композиционного материала, значительно превосходящие третий (пластины, ткань).

По форме наполнителя композиционные материалы разделяют на

Рис. 13.19. (см. скан) Классификация композиционных материалов по форме наполнителя (а) и схемы армирования (б, в, г)

дисперсно-упрочненные и волокнистые. Дисперсно-упрочненными называют композиционные материалы, упрочненные нуль-мерными наполнителями. К волокнистым относят композиционные материалы, упрочненные одномерными или одномерными и двумерными наполнителями.

По схеме армирования композиционные материалы подразделяют на три группы: с одноосным, двухосным и трехосным армированием (см. рис. 13.19, б-г).

Для одноосного (линейного) армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (см. рис. 13.19, б). Нульмерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси (например, по оси х) значительно меньше, чем по двум другим. В этом случае объемное содержание наполнителя составляет 1 - 5 %. Одномерные наполнители располагаются параллельно друг другу.

При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль-, одно-и двухмерные наполнители (см. рис. 13.19, в). Нуль-мерные и одномерные наполнители располагаются в плоскостях, параллельных друг другу. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нуль-мерного наполнителя его содержание доходит до 15-16%. Одномерные наполнители расположены также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям под разными углами. Двумерные наполнители расположены параллельно друг другу.

При трехосном (объемном) армировании нет преимущественного направления в распределении наполнителя. Для армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (см. рис. 13.19, г). Расстояние между нуль-мерными наполнителями одного порядка. В этом случае их объемное содержание может превышать 15 16%. Одномерные наполнители помещают в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства при армировании композиционных материалов одновременно используют наполнители различной формы. Например, для увеличения прочности связи между одномерными наполнителями (стеклянным или углеродным волокном) и полимерной матрицей в нее вводят нуль-мерный наполнитель (частицы асбеста, карбида кремния и др.). С этой же целью применяют армирование наполнителями одной формы, но разного состава. Так, для повышения модуля упругости композиционных материалов с полимерной матрицей, армированной стеклянным волокном, дополнительно вводят волокна бора.

Композиционные материалы, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными (см. рис. 13.18, б).