Композиционные материалы

Композиционные материалы (КМ) – это искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более компонентов, из которых один служит основой, т.е. матрицей, а другой – упрочняющей арматурой. Матрица может быть металлической (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), полимерной, керамической или смешанной. Матрица придает требуемую форму изделиям, защищает его арматуру от механических повреждений. Армирующие элементы вводят в композиционные материалы с целью придания специальных свойств: высокой прочности, жаропрочности, фрикционных, электрических и др. В матрице армирующие элементы могут быть расположены хаотически, но чаще их размещают в определенном порядке.

В качестве армирующих элементов используют нитевидные монокристаллы - усы из графита, карбида кремния, окислов алюминия, волокна углерода, бора, проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов и др. Прочность КМ зависит от характера взаимодействия матрицы и арматуры. Наибольшая прочность достигается, если в поверхностных слоях матрицы и арматуры происходит образование твердых растворов или химических соединений. Механические характеристики КМ обусловливаются механическими свойствами матрицы и упрочняющих элементов, их объемным соотношением, ориентацией волокон и определяются по правилу аддитивности:

 ϭ_в^км = ϭ_м*V_м + ϭ_н*(1- V_м),

где V_м- объемная доля матрицы, ϭ_в^км, ϭ_м, ϭ_н -пределы прочности композита, матрицы и наполнителя.

Углепластики

Углепластики - это композиционные материалы на основе эпоксидной, эпокситрифенольной и других смол с упрочнителями из углеродных волокон. Углепластики обладают высокой удельной прочностью и усталостной прочностью, электропроводностью, низким коэффициентом трения и др. Изготовление из углепластиков крупногабаритных панелей летательных аппаратов позволяет снизить их массу на 20-40% повысить жесткость на 50 %.

 Стеклопластики

Стеклопластики - композиционные материалы, состоящие из стеклоткани, пропитанной реактивной эпоксидной, фенолформальдегидной и другой смолой. Стеклоткань получают из стекловолокна, состоящего из нитей толщиной 7-10 мкм. Стеклопластики обладают высокой прочностью (до 3500 Н/мм²), превышающей прочность стали (порядка 1000 Н/мм²) и применяют для изготовления корпусов катеров, кузовов автомобилей, бассейнов, водных горок и др. 

Керамика

Керамикой называются неорганические материалы, полученные при высокотемпературном спекании минеральных порошков. Наиболее широкое распространение в машиностроении получила конструкционная керамика на основе карбида и нитрида кремния, оксидов алюминия, циркония и др.

Карбид кремния, или карборунд, представляет собой соединение кремния с углеродом (SiC). Он имеет две кристаллические модификации — с гексагональной решеткой (α-SiC) и кубической структурой типа алмаза (β-SiC). Карбид кремния отличается высокой твердостью, теплопроводностью, огнеупорностью, устойчивостью в различных химических средах. Нитрид кремния (Si₃N₄) существует в двух модификациях низкотемпературной α-Si₃N₄ и высокотемпературной β-Si₃N₄, имеет низкую плотность, высокие значения упругости, твердости и жаростойкости.