13.3. Искусственные композиционные материалы с неметаллической матрицей

В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

По виду упрочнителя композиционные материалы подразделяют на стекловолокниты, карбоволокниты, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити и ленты, пропитанные связующими, укладывают параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собирают в пластины. Можно создавать материалы, как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композитов.

13.4. Естественные композиционные материалы

Естественные композиционные материалы получаются в результате выделения волокон, пластин или частиц упрочняющей фазы в процессе естественного структурообразования. В естественных композитах упрочняющая фаза кристаллизуется в виде иголок (нитевидных кристаллов), стерженьков, пластинок или зернистых включений. По виду структура этих материалов мало отличается от структуры искусственных волокнистых и слоистых композиций, но имеют ряд важных особенностей.

В естественных композициях упрочнители по механическим свойствам почти не отличаются от нитевидных кристаллов («усов»), имеющих уникальные механические свойства. Другими особенностями являются исключительно хорошее сопряжение матрицы с упрочнителем и высокая термодинамическая стабильность структуры. Поэтому эффект композиционного упрочнения в таких материалах сохраняется при нагревании до высоких температур (вплоть до 0,9Т_пл). Высокая стабильность структуры этих материалов при рабочих температурах обеспечивает значительное сопротивление ползучести и выгодно отличает их от традиционных жаропрочных сплавов.

Естественные композиционные материалы можно классифицировать по нескольким признакам: характеру матричной и упрочняющей фаз, геометрической форме и расположению включений упрочняющей фазы, способу получения композитов.

Контрольные вопросы

1. Что такое композит? В чем особенности естественных композиционных материалов?

2. Как они классифицируются?

3. Что представляют собой искусственные композиционные материалы с металлической матрицей?

4. Что представляют собой искусственные композиционные материалы с неметаллической матрицей?

5. Что представляют собой естественные композиционные материалы?

Глава 14. Наноструктурные материалы

14.1. Особенности свойств наноматериалов

К наноструктурным материалам (нанокристаллическим, нанофазным, наноразмерным и т.п.) относятся объекты с характерным структурным размером менее 100 нм. Нанокристаллические материалы и нанотехнологии – одни из самых модных быстроразвивающихся направлений современной науки. Особые строение и свойства малых атомных агрегаций представляют значительный научный интерес, так как являются промежуточными между строением и свойствами изолированных атомов и массивного (объемного) твердого тела.

Малый размер зерна приводит к появлению уникальных физических, химических, механических и других свойств, что привлекает внимание широкого круга специалистов в области материаловедения, физики и химии твердого тела, биологии и перспективных технологий. Формирование нанокристаллической структуры позволяет существенно изменить физические свойства материала: повысить предел текучести и прочности, теплоемкость, электросопротивление, диффузионную способность материала, понизить его упругость, температуру магнитных переходов и т.п. Изменяются и свойства других структурных уровней: атомного, электронного (снижается работа выхода электронов) и ядерного.

Необычные свойства наноматериалов обусловлены как особенностями отдельных частиц (кристаллитов), так и их коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между наночастицами. Такие эффекты появляются, когда размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо наблюдаются, когда размер зерен менее 10 нм. Таким образом, изучение свойств сверхмелкозернистых материалов требует учета не только их состава и структуры, но и дисперсности.

Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно уже достаточно дано и используется в разных областях техники. Примерами могут служить широко применяемые аэрозоли, получение цветных стекол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов, суспензии металлических наночастиц размером от 30 нм используют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы.