КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Объединение различных ценных свойств отдельных материалов позволило создать единое целое - композицию. Современное материаловедение уже добилось значительных успехов в исследовании и разработке композиционных материалов (КМ).
Практически всякий современный материал представляет собой композицию, поскольку материалы редко используются в чистом виде.
К о м п о з и ц и о н н ы е м а т е р и а л ы - гетерофазные системы, полученные из двух и более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента. При этом
-состав и форма компонента определены заранее;
-композиция должна представлять собой объемное сочетаниехотя бы двух химически разнородных материалов с четкой границей раздела между этими компонентами (фазами);
-компоненты присутствуют в количестве, обеспечивающем задание свойства материала;
-материал является однородным в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе;
-композиция характеризуется свойствами, которых не имеет никакой из ее компонентов в отдельности;
-размеры частиц входящих компонентов могут колебаться в широких пределах - от сотых долей микрометра (для порошковых наполнителей) до нескольких миллиметров (при использовании волокнистых наполнителей)
-один из компонентов, обладает непрерывной по всему объему матрицей.
Композицию получают путем введения в основной материал (матрицу) определенного количества другого материала, который добавляется в целях получения специальных свойств.
Композиционные материалы состоят из сравнительно пластичного матричного материала и более твердых и прочных веществ, являющихся упрочняющими наполнителями. Матрица связывает композицию и придает ей нужную форму.
Отличиебольшинства КМ от традиционных материалов в том, что процесс получения КМ технологически совмещается с процессом изготовления изделия.
Проектирование изделия из КМ начинается с конструирования самого материала - выбора его компонентов и назначения оптимальных технологических процессов производства. Особенность создания конструкций из КМ в отличие от конструкций из традиционных материалов заключается в том, что конструирование материала, разработка технологического процесса изготовления и проектирование самой конструкции - это единый взаимосвязанный процесс.
Физико-механические свойства КМ в зависимости от концентрации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии изготовления могут меняться в очень широких пределах. Тем самым открывается возможность специального создания (конструирования) материала с заданными свойствами для определенного изделия.
Классификация композиционных материалов
Все КМ условно можно классифицировать по следующим признакам. 1.Материал матрицы
Матрица в армированных композициях является основой, придает изделию форму и делает материал монолитным. Материал матрицы должен позволять композиции воспринимать внешние нагрузки. Матрица принимает участие в создании несущей способности композиции, обеспечивая передачу силы на волокна. При нагружении за счет пластичности матрицы силы от разрушенных или дискретных (коротких) волокон передаются соседним волокнам. Передача нагрузки зависит прежде всего от качества соединений, т.е. от хорошей адгезии между компонентами КМ. Без этого невозможны передача нагрузки волокон и, следовательно, армирование.
В зависимости от материала матрицы КМ можно разделить на следующие основные группы: композиции с металлической матрицей - металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной - полимерные композиционные материалы (ПКМ), с резиновой - резиновые композиционные материалы (РКМ) и с керамической - керамические композиционные материалы (ККМ).
Название ПКМ обычно присваивают в зависимости от армирующего материала. Например, ПКМ, армированные стеклянными волокнами, называют стеклопластиками. Аналогично получили свои названия металлопластики, асбестопластики, углепластики, боропластики и т.д.
У металлических и керамических КМ пока еще нет четких правил присвоения названий. Обычно вначале указывают материал матрицы, а затем армирующий материал, например медно-вольфрамовые, алюминиево-стальные КМ и т.п.
2.Типу арматуры и ее ориентации КМ подразделяют на две основные группы: изотропные и анизотропные.
Изотропные КМ имеют одинаковые свойства во всех направлениях. К этой группе относят КМ с порошкообразными наполнителями. К числу изотропных условно относят и КМ, армированные короткими (дискретными) частицами. КМ при этом получаются квазиизотропными, т.е. изотропными в объеме всего изделия, но анизотропными в микрообъемах.
У анизотропных материалов свойства зависят от направления армирующего материала. Их подразделяют на однонаправленные, слоистые и трехмерно-направленные. Анизотропия материала закладывается конструктором для получения КМ с заданными свойствами. Однонаправленные КМ чаще всего проектируют для изготовления изделий, работающих на растяжение. Слоистые КМ получают путем продольно-поперечной укладки с правильным чередованием слоев. Трехмерно-направленное армирование обычно достигается за счет использования "сшитых" в поперечном направлении армирующих тканей, сеток и т.п. Кроме такой анизотропии образуется еще технологическая анизотропия, возникающая при пластическом деформировании изотропных материалов (металлов).
В последнее время находят широкое применение так называемые гибридные КМ.
Гибридными называют КМ, содержащие в своем составе три или более компонентов. В зависимости от распределения компонентов гибридные КМ обычно делят на следующие классы: однородные КМ (рис. 14, а), с равномерным распределением каждого армирующего компонента по всему объему композиции; линейно неоднородные КМ с объединением отдельных волокон в жгуты (рис. 14, б); КМ с плоскостной неоднородностью (рис. 14, в), в которых волокна каждого типа образуют чередующиеся слои, и макронеоднородныеКМ, когда разнородные волокна образуют зоны, соизмеримые с характерным размером изделия из КМ (рис. 14, г). При этом возможно использовать структуру типа "оболочка - сердцевина". Такое сочетание компонентов рассматривается как наиболее перспективное. Конструктор, проектируя изделие из КМ, армирующие волокна (например, из углерода, бора и др.) помещает в оболочку из металлической проволоки, сетки, фольги и т.п. Такие "полуфабрикаты" характеризуются высокой технологичностью при изготовлении изделий из волокнистых КМ. Помимо рассмотренных возможны и другие сочетания компонентов в композиции.
Армирующие материалы подразделяют на порошкообразные и волокнистые.
Применяют в основном три вида волокон:
1) нитевидные кристаллы,("усы") рассматривают как наиболее перспективный материал для армирования металлов, полимеров, керамики. Сверхвысокая прочность в широком диапазоне рабочих температур, малая плотность, химическая инертность ко многим материалам матрицы и ряд других свойств делают их незаменимыми в качестве армирующих материалов. Однако широкое их внедрение сдерживается пока несовершенством технологии их получения в промышленных масштабах, сложностью ориентации их в материале матрицы, сложностью технологии деформирования изделий из композиций с нитевидными кристаллами и др.
 |
Рис. 14. Схемы армирования КМ: 1 - одномерного; 2 – двумерного
2) металлическая проволока из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена и других металлов имеет меньшую прочность, чем нитевидные кристаллы. Однако ее выпускают промышленно в больших количествах и в связи с более низкой стоимостью широко применяют в качестве арматуры, особенно для КМ на металлической основе.
3) неорганические и поликристаллические волокнаимеют малую плотность, высокую прочность и химическую стойкость. Широко применяют углеродные, борные, стеклянные и другие волокна для армирования пластмасс и металлов.
Основное назначение наполнителей - придание КМ специальных свойств. Например, волокнистые наполнители вводят с целью получения максимальных прочностных характеристик.
3.По способу получения композиции и изделий из них полимерные и резиновые КМ разделяют на литейные и прессованные. Металлические КМ аналогично делят на литейные и деформируемые. Литейные получают путем пропитки арматуры расплавленным матричным материалом (сплавом). Для получения деформируемых МКМ применяют спекание, прессование, штамповку, ковку на молотах и др.
по назначению.
4.По назначению КМ разделяют на общеконструкционные, термостойкие, пористые, фрикционные и антифрикционныеи т.д.
Создавая новые КМ жидкофазными способами, следует принимать во внимание, что материал матрицы должен полностью смачивать армирующие волокна, не должен разъедать или иным способом разрушать волокна. Кроме того, матрице отводится роль защитного покрытия, предохраняющего волокна от механических повреждений и окисления.
 |