Классификация композиционных материалов

Композиционные материалы

Введение

Композиционные материалы (КМ) представляют собой металлические или неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (дисперсных частиц, волокон и др.). При этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композицию материалов.

К КМ могут быть отнесены многие природные материалы. Оптимальное сочетание и расположение твердых и мягких, жестких и эластичных составляющих характерно для строения древесины, костей человека и животных. Композиционную структуру имеют гранит, многие разновидности кремнезема.

Человек начал применять принципы армирования (упрочнения) материалов еще в глубокой древности. В Шумерии и Вавилоне около 6 тыс. лет назад в глиняные строительные кирпичи и гончарные изделия для уменьшения усадки и растрескивания при обжиге добавляли измельченные камни, солому, ветки. В Египте и Месопотамии в 3-ем тясячелетии до н.э. строили речные суда из тростника, пропитанного смолой.

В безлесных южных районах России и Украины при изготовлении жилищ и оград издавна использовали разнообразные сочетания строительных материалов – глины, лозы, камней.

В середине XV века при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник применили армированные железными полосами каменные плиты.

Прообразом современных КМ считается железобетон. Первый патент на изготовление цветочных кадок из материала, сочетавшего металлическую проволоку и цемент, получен в 1867 году Парижским садовником Ж.Монье. Армированные стеклянными волокнами полиэфирные материалы впервые применены в конструкции самолета в 1942 г., а несколько позже было начато промышленное производство стеклопластиков.

Современные высокопрочные композиты на полимерной и металлической матрице, армированные высокопрочными волокнами и «усами», стали широко использовать в начале 70-х годов.

Классификация композиционных материалов

Композиционные материалы – это конструкционные материалы сложного состава, образующиеся путем объемного сочетания разнородных компонентов (фаз) с границей раздела между ними.

Компонент, непрерывный в объеме композиционного материала, называется матрицей (связующим). Другие компоненты (арматура, наполнители и т.д.) распределены в матрице.

Композиционные материалы классифицируют по следующим основным признакам:

· типу матрицы;

· виду армирующего элемента;

· особенностям макростроения;

· методам получения.

По типу материала матрицы различают:

· полимерные композиты (термопласты и реактопласты);

· металлические (в т.ч. материалы, получаемые методами порошковой металлургии, и сплавы, состоящие из макронеоднородных фаз);

· неорганические (неорганические полимеры, минералы, керамика);

· комбинированные (полиматричные).

Матрица придает изделию из композита заданную форму и монолитность, обеспечивая передачу и перераспределение нагрузки по объему материала, защищает армирующие элементы от внешних воздействий. Тип матрицы непосредственно определяет термическую и коррозионную стойкость, электрические и теплозащитные свойства, старение, технологию изготовления и другие важнейшие характеристики композиционного материала и изделий из него.

По виду армирующих элементов (наполнителей) КМ классифицируют в зависимости от геометрических размеров и порядка их расположения в матрице, целей армирования.

Армирующие элементы (наполнители) вводят в композиционный материал с целью изменения его свойств: увеличения прочности, жесткости, пластичности; изменения плотности, электрических, теплофизических и других характеристик в различных направлениях и отдельных местах изделия.

По влиянию на деформационно-прочностные характеристики КМ наполнители и армирующие элементы целесообразно различать.

Наполнители – это преимущественно дисперсные и коротковолокнистые вещества, введение которых позволяет более чем в 2 раза повысить прочность матрицы.

Армирующие элементы (арматура) – высокопрочные усы, волокна, ткани, которые обеспечивают повышение прочности в 2-10 и более раз по сравнению с прочностью матрицы. В КМ могут одновременно присутствовать и наполнители и армирующие элементы.

Влияние наполнителей (арматуры) на свойства КМ бывает настолько существенным, что КМ часто называют по виду наполнителя: графитопласты, стекловолокниты, органно-, угле- и боропластики и т.п.

По макростроению КМ различают в соответствии с расположением компонентов. В матрице армирующие элементы могут быть расположены хаотически, но чаще их стараются разместить в определенном порядке. Возможности сочетания и объемного расположения армирующих элементов весьма широки.

КМ, имеющие одинаковые свойства во всех направлениях, называют изотропными. К ним относят композиты, хаотически наполненные порошками, короткими волокнами и чешуйками.

КМ, свойства которых неодинаковы по различным направлениям, называют анизотропными. Это КМ с армирующими элементами в виде непрерывных волокон, пластин, тканей, сеток.

При моделировании технологии изготовления и выборе схемы расчета на прочность высокопрочные КМ делят на группы с одноосным, двухосным (плоскостным) и трехосным (объемным) армированием.

Все чаще находят применение КМ полиармированные (содержащие два и более различных по составу и природе армирующих элемента), полиматричные (имеющие две или более матрицы) и т.п.

Гибридные (полиматричные и полиармированные) композиты-конструкции изготовляют одновременно с изделием. При этом соответствующий компонент (матрица или армирующий элемент) вводятся в заданное место конструкции, где наиболее полно используются его положительные качества.

По методам получения КМ подразделяют на материалы, формируемые путем соединения компонентов в твердой или жидких фазах, с использованием газофазных процессов, в вязкотекучем состоянии и при помощи разнообразных комбинаций этих состояний.

Жидкофазными компонентами – растворами и расплавами матричного материала – пропитывают арматуру. Твердофазные компоненты соединяют в КМ прессованием, уплотнением взрывом, диффузионной сваркой. К газофазным технологическим процессам относят нанесение металлических или керамических матричных покрытий на армирующие элементы – волокна, ткани. В вязкотекучем состоянии перерабатывают большинство композитов на полимерной матрице.