Композиционные материалы

Понятие композиционного материала должно удовлетворять следующим критериям: композиция должна представлять собой объемное сочетание хотя бы двух химически разнородных материалов с четкой границей раздела между этими компонентами (фазами) и характеризоваться свойствами, которых не имеет ни один из ее компонентов в отдельности. Композицию получают введением в основной материал (матрицу) определенного количества другого материала для получения специальных свойств. Размеры частиц входящих компонентов могут колебаться в широких пределах – от сотых долей мкм (для порошковых наполнителей) до нескольких мм (при использовании волокнистых наполнителей).

Отличие большинства КМ от традиционных материалов в том, что процесс получения КМ технологически совмещается с процессом изготовления изделия.

Физико-механические свойства КМ в зависимости от концентрации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии изготовления могут меняться в широких пределах. Тем самым открывается возможность специального создания материала с заданными свойствами для определенного изделия.

Классификация композиционных материалов.

Сравнительно пластичный компонент-основа, непрерывный в объеме КМ, называется матрицей, более прочный прерывистый – армирующим элементом. В зависимости от геометрии армирующих элементов и их взаимного расположения свойства КМ могут быть одинаковыми во всех направлениях – изотропными (дисперсно-упрочненные КМ) и различными – анизотропными (КМ, упрочненные непрерывными волокнами, ориентированными в определенных направлениях).

Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму и служит для передачи внешних нагрузок арматуре из наполнителя.

Ведущую роль в упрочнении КМ играют наполнители, часто называемые упрочнителями. Они имеют высокую прочность и модуль упругости. По типу упрочняющих упрочнителей КМ подразделяют на дисперсноупрочненные, волокнистые, слоистые.

- дисперсноупрочненные КМ (рисунок слева). 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 основным несущим элементом является матрица. Ансамбль дисперсных частиц наполнителя упрочняет материал за счет сопротивления движению дислокаций при нагружении, что затрудняет пластическую деформацию. Эффективное сопротивление движению дислокаций создается вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсноупрочненные КМ отличаются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести.

В промышленности обычно применяют дисперсноупрочненные КМ на алюминиевой, реже – никелевой основах. Характерными представителями этого вида КМ являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые состоят из алюминиевой матрицы, упрочненной дисперсными частицами оксида алюминия. Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изготовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300…500⁰С. Из них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

- волокнистые КМ (рисунок слева). Арматурой в волокнистых КМ могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки разного плетения. Армирование волокнистых материалов может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме (рисунок справа).

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

Для изготовления КМ, применяемых при температурах ниже 200⁰С, используют полимерные матрицы. К таким композитам относятся стеклопластики, армированные короткими стеклянными волокнами в матрице из полиэфирной смолы. Стеклопластики применяют для изготовления корпусов автомобилей, лодок, бытовых приборов.

Для работы при более высокой температуре применяют металлические матрицы. Обычно используют металлы с малой плотностью: алюминий, реже – магний, титан.

Металлические КМ , кроме более высокой эксплуатационной температуры, характеризуются лучшей изотропией и большей стабильностью свойств в процессе эксплуатации, более высокой эрозионной стойкостью.

Для армирования металлических КМ обычно используют непрерывные волокна: углеродные (УВ), борные (В), оксида алюминия (Al₂O₃), карбида кремния (SiC), нитрида бора (BN), диборида титана (TiB₂), оксида кремния (SiO₂).

- слоистые КМ (рисунок слева). Эти КМ набираются из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала. 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.

Материалом основы слоистых КМ являются пластмасса, металл или керамика. В качестве наполнителей применяются полимерные волокна, ленты из тканей.

К этой группе относят материалы для тепловой защиты ракет, изготовленные на базе феноло-формальдегидных смол с углеродным или стекловолокном.