Композиционные материалы

Композиционными материалами (КМ) называют материалы, в состав которых входят конструктивные элементы, разделенные выраженной границей, свойства которых резко отличаются от свойств матрицы.

Композиционные материалы представляют собой гетерогенную систему, состоящую из матрицы, в качестве которой используют полимеры, керамику или металл, заполненных высокопрочными и высокомодульными волокнами или частицами.

КМ можно разделить на три основные группы:

1. Волокнистые композиционные материалы. Примерами могут служить шины транспортных средств (резина, армированная кордными тканями), армированный бетон, армированные стеклянными волокнами пластики, углеродные волокна в эпоксидных смолах или алюминии, древесина (естественный композит с трубками целлюлозы в матрице лигнина).

Свойства волокнистых КМ зависят от свойств и размеров волокон, их объемной доли и расположения, взаимодействий на границе между волокнами и матрицей. У армированных волокном КМ основные функции волокон состоят в том, чтобы перенести большую часть прикладываемой нагрузки на КМ и таким образом обеспечить прочность. По этой причине волокнистые КМ имеют высокие предел прочности и модуль упругости при растяжении. Предъявляемые к матричному материалу (матрице) требования заключаются в высоком сцеплении его с поверхностью волокон, благодаря чему прикладываемая к КМ сила передается на волокна. Они первыми воспринимают напряжение КМ, который, в свою очередь, предохраняет поверхность волокон от повреждения и разделяет их друг от друга, препятствуя тем самым распространению разрушения. Волокна могут быть сплошными, отрезками в полную длину композита или короткой длины. Они могут быть вытянуты в одном направлении, задавая направленность свойствам КМ, или ориентированы случайным образом.

Для сплошных волокон: прочность КМ определяется по формуле , а модуль КМ - , где - напряжение на волокне, - напряжение на матрице, - доля матрицы, - модуль прочности на растяжение волокна, - модуль прочности на растяжение матрицы.

Для прерывистых волокон прочность композита определяется той же формулой, где заменено на усредненное напряжение . Здесь: - максимальная прочность волокон, т.е. предел прочности волокон; - длина волокон; - критическая длина волокон. Критическая длина волокон определяется как: . Здесь: - диаметр волокон; - прочность матрицы на срез. Необходимая длина волокон равна или больше критической длины волокон, в котором напряжение достигает максимального значения, возможного в волокне.

2. Армированные частицами материалы. Примерами могут служить полимерные материалы, связанные такими наполнителями, как стеклянные шарики или утонченные градуированные порошки, придающие полимерам жесткость, в которые включены тонкие резиновые частицы, а также керметы с керамическими частицами в металлической матрице.

Керметы – это композиты, у которых в матрицу металла включены керамические частицы.

Частицы, которыми армируют материалы, рассеяны по всей матрицы и имеют диаметр 1мкм или более. Их часто вводят до четверти, половины или даже более по отношению к общему объему КМ.

Полимерные материалы содержат наполнители. Эффект от частиц наполнителя в материале матрицы состоит, в основном, в увеличении модуля упругости при растяжении, предела прочности при растяжении, стойкости к удару и уменьшении ползучести и теплового расширения. Общая стоимость материала ниже, поскольку стоимость полимера больше, чем стоимость наполнителя.

Добавка сферических углеродных частиц в резину применяется для улучшения модуля растяжения. Модуль растяжения композитной резины по отношению к модулю резины без наполнителя будет выражать как , где - доля объема КМ, занятая углеродом.

Жесткость некоторых полимеров может быть увеличена при введении в полимерную матрицу тонких резиновых частиц. Например, полистирол становится жестче при добавке в него полибутадиена: получается продукт, называемый полистиролом (HIPS), устойчивый к ударам.

3. Дисперсно-упрочненные КМ. Примерами могут служить алюминиевые сплавы, обработанные на твердый раствор и преципитатно-упрочненные, мартенситостареющие стали, а также спеченные металлы. Эти материалы отличаются от обычных сплавов большими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50-100%), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/ρ) и пониженной склонностью к трещинообразованию и высокой жаропрочностью.

Эффект упрочнения КМ, в структуре которых присутствуют высокодисперсные частицы тугоплавких оксидов, нитридов или карбидов, не взаимодействующих химически с материалом матрицы, пропорционален объемной доле частиц, дисперсности. То есть, прочность металла можно увеличить с помощью маленьких частиц, рассеянных по его объему. Один из путей сделать это состоит в обработке на твердый раствор, что следует из преципитатного упрочнения. Такая обработка применяется, например, с мартенсито-стареющими сталями и сплавами алюминия.

Другой путь, рассеивающий маленькие частицы по всему объему металла, состоит в спекании материала. Этот процесс включает в себя уплотнение измельченного металлического порошка в пресс-форму и затем нагрев его до температуры выше той, которая достаточна для скрепления частиц в порошке. Если это сделать с алюминием, то в результате получится тонкодисперсная окись алюминия, около 10%, повсюду в матрице алюминия. В результате ввиду малого расстояния между частицами увеличиваются прочность, твердость, жаропрочность КМ, но уменьшается его пластичность.

Применение композиционных материалов с металлической матрицей повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

В дополнении к названным группам КМ имеется целая группа слоистых материалов. В качестве примеров можно назвать фанеру, плакированные металлы, пористые металлические структуры, рифленый картон.

Таким образом, КМ отличаются самой высокой, по сравнению с другими материалами, удельной прочностью, что позволяет резко снизить массу и соответственно материалоемкость конструкций. Это качество важно для различных летательных аппаратов, автостроения и других транспортных средств, в гражданском строительстве.