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 со­четание хотя 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.

Отличие большинства 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 макронеоднородные КМ, 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 волокна имеют 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 антифрикцион­ные и 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.

Дата добавления: 2014-01-05