ВВЕДЕНИЕ. Первым создателем композиционных материалов была сама природа

Первым создателем композиционных материалов была сама природа. Множество природных конструкций (стволы деревьев, кости животных, скелеты насекомых, зубы людей) имеют характерную волокнистую структуру. Она состоит из сравнительно пластичного матричного вещества и более твердых и прочных веществ,

имеющих форму волокон. Например, древесина - это композиционный материал, состоящий из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого сечения, связанных между собой матрицей из органического вещества (лигнина), придающего древесине поперечную жесткость. Зубы людей и животных состоят из твердого поверхностного слоя (эмали) и более мягкой сердцевины (дентина). И эмаль, и дентин содержат неорганические кристаллы игольчатой формы, распространенные в мягкой органической матрице. Различие в свойствах эмали и дентина связано, в основном, с различным соотношением органической и неорганической составляющих: в эмали кристаллы занимают 99% объема, а в дентине 70%. Подобную структуру имеет и слоновая кость.

Примерами КМ могут быть и такие природные образования как минералы. Нефрит, например, состоит из плотно упакованных игольчатых кристаллов, связанных друг с другом на поверхностях раздела. Такая структура обеспечивает высокую вязкость нефрита и, поэтому различные племена использовали его как материал для изготовления топоров. Сооружая жилища, люди в глину для кирпичей добавляли солому и получали типичный армированный материал повышенной прочности. Они знали, что лук из нескольких слоев дерева прочнее лука, не имеющего в своей конструкции границ раздела. Таких примеров можно привести много, однако все это были случайные находки.

Наука о КМ зародилась совсем недавно. Первым примером научного подхода к созданию искусственных композиционных материалов можно считать появление железобетона и стеклопластиков. Как известно, бетон отлично сопротивляется сжатию и очень плохо выдерживает растягивающие нагрузки. Композиция из бетона и стальной арматуры, обладающая высокой прочностью на растяжение, объединяет в одном материале положительные свойства обоих компонентов, железобетон можно отнести к числу первых образцов армированной керамики.

Первый патент на композиционный полимерный материал был выдан в 1909 году. Он предусматривал упрочнение синтетических смол природными волокнами. Армировали первые полимерные КМ рубленым природным волокном, целлюлозной бумагой, хлопчатобумажными или льняными тканями. Стеклопластики запатентованы в 1935 году. Это были первые полимерные материалы, в которых как упрочнитель использовали неорганические волокна.

Промышленный выпуск стеклопластиков налажен после второй мировой войны, с тех пор их интенсивно используют в технике. В 50-х годах 20 века обнаружили, что многие материалы в виде тонких кристаллов игольчатой формы обладают фантастически высокой прочностью (10000 МПа и более). Были получены новые виды неорганических поликристаллических волокон - углеродные, борные с прочностью 3000 – 3500 МПа и модулем упругости 300 - 500 МПа. Возникла идея использовать все эти сверхпрочные волокнистые материалы для армирования различных матриц, и в первую очередь металлов.

История металлических армированных материалов насчитывает не более 40 лет, но успехи в этом направлении достигнуты значительные. Разработаны теоретические основы упрочнения металлов волокнами; созданы композиции на алюминиевой, титановой, никелевой и других основах, обладающие значительно большей прочностью, чем стандартные промышленные материалы на той же основе. Проводятся работы по созданию керамических композиционных материалов. Железобетон - пример “макроармированной” керамики: в нем используют толстую арматуру, диаметр которой измеряется миллиметрами и десятками миллиметров.

Сейчас разработаны “микроармированные” керамические материалы на основе различных оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др., диаметр тугоплавких армирующих волокон в которых составляет доли миллиметра или даже микрометры. За счет такого армирования удалось получить высокотемпературные керамические материалы с высоким сопротивлением термическим и динамическим нагрузкам, т.е. ликвидировать наиболее уязвимые места керамики.

В настоящий момент наиболее широко используются стеклопластики. Их применяют не только в сложных и ответственных конструкциях, но и в изделиях широкого потребления. Такие материалы как боро- и углепластики, металлические композиции типа алюминий - бор и алюминий - графит, используются главным образом в условиях действия высоких нагрузок, когда первостепенную роль играет надежность конструкции, ее масса, а вопросы стоимости отступают на второй план - в сверхзвуковых самолетах, ракетах, космической аппаратуре, батискафах. Пока эти материалы дороже обычных промышленных, поскольку объем их производства невелик, а некоторые из них исследовались только в лабораториях. Наряду с несомненными преимуществами по сравнению с традиционными материалами у армированных КМ есть недостатки, в частности, многим из них присуща низкая прочность при сдвиговых нагрузках, некоторые КМ плохо сопротивляются сжатию.

Дата добавления: 2014-01-11