Композиционные материалы

Композиционными называют материалы, состоящие из двух и более компонентов, объединенных различными способами в монолиты и сохраняющих при этом индивидуальные особенности. Для композиционных материалов характерна следующая совокупность признаков:

· состав, форма и распределение компонентов материала определены заранее;

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

· свойства материалов определяются каждым из его компонентов;

· 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.

Существующие композиционные материалы можно разделить на три основных класса, отличающиеся микроструктурой: дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и армированные волокном. Все эти материалы представляют собой матрицу из какого-либо вещества или сплава, в которой распределена вторая фаза – обычно более жесткая, чем матрица, которая служит для улучшения того или иного свойства. В основе разделения трех упомянутых классов композиционных материалов лежат особенности их структуры.

Для дисперсно-упрочненных композиций характерной является микроструктура, когда в матрице равномерно распределены мельчайшие частицы размером от 0,01 до 0,1 мкм в количестве от 1 до 15 об.%. В композициях, упрочненных частицами, размер последних превышает 1 мкм, а содержание – 20–25 об.%. Для структуры армировано-упрочненных композитов характерны значительная анизодиаметричность армирующих волокон – их диаметр колеблется от долей микрона до десятков микрон, а длина – от микрон до непрерывных волокон практически неограниченной длины при содержании от нескольких процентов до 70–80 об.%.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, является матрицей. Прерывный компонент, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим (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.

Матрицы на неметаллической основе изготавливают из отвержденных эпоксидных, полиэфирных, фенольных, полиамидных и других смол. Наиболее распространены композиции, армированные стеклянными, углеродными, органическими, борными и другими видами волокон.

Композиционные материалы с полимерной матрицей обладают целым рядом достоинств: высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к воздействию агрессивных сред, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными и амортизационными свойствами. Недостатки: низкая прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, снижение прочности при повышении температуры до 100 - 200⁰С, изменение физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.

Наиболее распространенным конструкционным композиционным материалом являются железобетонные плиты, широко используемые в строительстве. Матрицей в них является бетон (неорганический материал), а армирующим волокном – прутки из малоуглеродистой конструкционной стали, называемые арматурой. Бетон обладает хорошей сопротивляемостью при сжатии, а сталь - высокой прочностью при растяжении. Благодаря сочетанию этих свойств железобетонные плиты являются прочным материалом для строительных конструкций.

Технология производства изделий с полимерной матрицей, армированной волокнами, включает следующие основные операции:

1) подготовка упрочняющих волокон: удаление замасливателя; нанесение на поверхность водоотталкивающих покрытий; основание, т. е. перемотка и укладывание волокон (лент) в однонаправленную полосу – ровнину;

2) приготовление связующего: проверка компонентов связующего; приготовление смеси компонентов (компаунда);

3) пропитка: пропитка волокон связующим; подсушивание и частичное отверждение;

4) формование;

5) отверждение;

6) удаление оправки;

7) контроль качества изделий;

8) механическая доработка и соединение с другими деталями.

Применение композиционных материалов. Стеклопластики (стекловолокниты, стеклотекстолиты) содержат в качестве наполнителя стеклянные волокна. По применению делят на конструкционные, электротехнические и радиотехнические. Однонаправленные стеклопластики применяют для изготовления труб и различных профилей, неориентированные – в производстве корпусов лодок, автомобилей, катеров, мебели, силовых деталей электрооборудования, с перекрестным армированием – в конструкциях типа оболочек, в секциях крыльев, хвостового оперения фюзеляжа самолетов, плиты, трубы, корпуса ракет и др.

Углепластики (карбоволокниты) получили широкое распространение как конструкционный материал в авиации, космонавтике, ядерной технике: лопасти несущего винта вертолетов, корпуса компрессора и вентилятора, панели солнечных батарей баллоны высокого давления, теплозащитные покрытия.

Бороволокниты используют в конструкциях деталей летательных аппаратов: балок, стрингеров, стоек шасси; широко используют в качестве подкрепляющих усиливающих элементов металлических силовых конструкций, банадажных дисков и роторов компрессоров газотурбинных двигателей.

Органоволокниты используют в элементах несущих и вспомогательных конструкций современных самолетов и вертолетов, применяют для обшивки самолетов и вертолетов, лопастей несущих винтов вертолетов, подкрепляющих элементов балок, в панелях пола, в сотовых конструкциях.