Общая характеристика и классификация

Лекция 14

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ

Развитие современной тех­ники требует создания материалов, надежно работающих в комбинации силовых и температурных полей, при воздейст­вии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела кон­структивной прочности. Удовлетворить эти требо­вания можно путем использования композиционных материалов (КМ), которые позволяют создавать ранее недоступные принципиально новые конструкции, благодаря применению которых возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы машин и конструкций и повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационно-космических аппаратов.

Важными характеристиками материалов, работающих в этих условиях, являются удельная прочность σ _в/уg и удельная жест­кость Е/уg, где σ_в - временное сопротивление, Е - модуль нор­мальной упругости, у - плотность материала, g - ускорение сво­бодного падения.

Композиционным материалом (КМ) или композитом называ­ют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различа­ющихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов, строе­ние которой позволяет использовать преимущества каждого из них.

КМ состоят из сравнительно пластичного матричного мате­риала-основы и более твердых и прочных компонентов, являю­щихся наполнителями. Свойства КМ зависят от свойств основы, наполнителей и прочности связи между ними.

Матрица придает изделию из композита заданную форму и монолитность, обеспечивая передачу и распределение нагрузки арматуре из наполни­телей, и защищает армирующие элементы от внешних воздействий. В зависимости от материала основы различают: КМ с ме­таллической матрицей, или металлические композиционные ма­териалы (МКМ), КМ с полимерной матрицей - полимерные композиционные материалы (ПКМ) и КМ с керамической матрицей - керамические композици­онные материалы (ККМ).

Ведущую роль в КМ играют упрочняющие наполнители. Они имеют высокую прочность, твер­дость и модуль упругости. По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на дисперсноупрочненные, волокнистые и слои­стые (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схемы строения композиционных материалов:

а - дисперсноупрочненные; б - волокнистые; в – слоистые

В дисперсноупрочненные КМ искусственно вводят мелкие рав­номерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., не взаимодействующие с матрицей и не раство­ряющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем проч­нее КМ. В дисперсноупрочненных КМ оптимальным содержанием дисперсной фазы считается 2-4%, и основным несущим элементом является матрица. При дисперсном упрочнении дис­персные частицы наполнителя упрочняют материал за счет сопро­тивления движению дислокаций при нагружении и, блокируя процессы скольжения в матрице, затрудняют пластическую деформацию.

В волокнистых композитах особенность структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластической матрице (содержание их, т.е. объемная доля, может достигать 75%).

Арматурой в волокнистых КМ могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки разного плетения. Армирование во­локнистых КМ может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме (рис. 1.2, а).

Рис. 1.2 Схемы армирования волокнистых (а) и слоистых композиционных материалов (б)

Прочность и жесткость таких материалов определяется свой­ствами армирующих волокон, воспринимающих основную на­грузку. Армирование дает больший прирост прочности, но дис­персное упрочнение технологически легче осуществимо.

Слоистые композиционные материалы (рис.1.2, б) набира­ются из чередующихся слоев наполнителя и матричного материа­ла (типа "сэндвич"). Слои наполнителя в таких КМ могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя из разных материалов с разными механиче­скими свойствами. Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы.

В общем, прочность КМ можно определить из зависимости:

σ_{к =} σ_вV_{в +} σ_мV_м,

где: σ_к – разрушающее напряжение, V – объемная доля фаз в композите. Индексы «к», «в», «м» относятся соответственно к КМ, волокну и матрице соответственно.