Понятие о композиционных материалах, как многофазных гетерогенных системах

Применяемые материалы накладывают на историю развития человечества существенный отпечаток, поэтому отдельные эпохи получили название по применяемым тогда материалам (каменный век, бронзовый век и т.п.). В настоящее время человечество вступило в такой период, когда природные ресурсы существенно ограничены. Имеет место быстрое истощение наиболее доступных почти всех видов сырьевых ресурсов для производства необходимых человечеству материалов и изделий из них. Объемы их потребления и, соответственно, производства продолжают расти. Необходимы мероприятия, направленные на эквивалентную замену дефицитных материалов, либо на внедрение в производство новых технологий. Они в свою очередь основываются на применении более совершенных материалов. Эти материалы должны обеспечивать:

1. малоотходность и безотходность технологических процессов;

2. увеличение ресурса конструкций и машин;

3. снижение их материалоемкости;

4. сведение к минимуму потерь на коррозию;

5. внедрение кругооборота (рециклинга) материалов.

Этим требованиям отвечают современные композиционные материалы (композиты).

Было бы заблуждением полагать, что композиционные ма­териалы – одно из последних достижений научно-технического прогресса. Человеческий опыт свидетельствует о том, что на про­тяжении всей истории создавались разнообразные комбинации из различных компонентов для получения материалов целенаправ­ленного применения. Природа демонстрирует нам замечательный образец композиционного материала – древесину, состоящую из волокон целлюлозы, скрепленных лигнином. Другим примером природных композитов могут служить кости живых организмов, в состав которых входит хрупкий минерал апатит, связанный прочным и мягким белковым веществом – биополимером.

Тем не менее, современная наука о композиционных материалах зародилась совсем недавно 60 лет назад (после второй мировой войны прошлого столетия). В широком смысле практически современный материал представляет собой композит. Материалы редко используются в чистом виде.

По современным требованиям материал считается композиционным, т.е. является композитом, если он удовлетворяет следующим требованиям:

1. является продуктом деятельности человека;

2. представляет собой сочетание по меньшей мере двух химически разнородных веществ (компонентов) с четкой границей раздела между фазами (компонентами);

3. образован объемным сочетанием компонентов;

4. обладает свойствами, которых не имеет ни один из компонентов в отдельности.

Иными словами композиционным называют материалы, состоящие из двух или нескольких компонентов – фаз и являются многофазными (гетерогенными) материалами. В композиционном материале основной компонент и модифицирующие его добавки составляют непрерывную фазу и выполняют роль матрицы. Другой компонент, составляющий также самостоятельную фазу, является армирующим элементом – наполнителем. Существование сцепления между не совмещающимися матрицей и наполнителем в гетерогенных материалах отличает их от механических смесей и подчеркивается названием композиционные материалы (композиты - КМ).

Современные композиционные материалы делят на три основных класса:

1. Дисперсно-упрочненные или дисперсно-твердеющие;
2. Дисперсно-наполненные (упрочненные частицами);
3. Армированные волокнами.

Эти три класса отличаются своей микроструктурой.

Дисперсно-упрочненные КМ (ДУКМ) характеризуются микроструктурой, которая представляет собой матрицу из элементарного вещества или сплава, в которой равномерно распределены мельчайшие частицы наполнителя. Частицы наполнителя в ДУКМ имеют размеры от 0,01 до 0,1 мкм в количестве от 1 до 15 объемных %. В ДУКМ матрица несет основную нагрузку. Примером этого класса КМ могут служить дисперсно-упрочненные металлы (сплавы). Они изготовляются методом порошковой металлургии, а также поверхностным или внутренним окислением, методами восстановления или разложения солей. Это в основном материалы радиоэлектронного назначения.

Дисперсно-наполненные КМ (ДНКМ) характеризуются тем, что размер частиц в них превышает 1 мкм, а их концентрация более 25 объемных %. При упрочнении частицами нагрузка распределяется между матрицей и частицами. Хотя данные КМ уступают по достижению степени упрочнения 3 классу КМ, но по своему практическому распространению они обогнали КМ всех других классов. ДНКМ можно разделить на два вида:

1. Неорганические порошковые композиты, изготовленные из керамических материалов и металлов. Это технические стекла (в том числе упрочненные типа ситаллов) и собственно керамика. В керамической матрице дисперсной фазой служат металлические порошки. И наоборот металлическая матрица наполнена порошкообразной керамикой и интерметаллами. Неполный перечень областей их применения включает:

изготовление деталей и частей конструкций методами порошковой металлургии;

производство электрических контактов;

радиационных экранов;

режущего инструмента, буровых долот;

магнитов;

электродов для искровой обработки;

сопел ракет и реактивных двигателей.

2. Полимерные композиционные материалы с порошкообразными наполнителями. (Подробно рассматривается в дисциплине “Технология переработки полимерных материалов”).

3. Армированные волокнами композиционные материалы. Среди конструкционных КМ наибольшее распространение нашли КМ, армированные волокнами. Диапазон размеров армирующей фазы в волокнистых КМ значительный. Так, диаметр волокон изменяется в пределах от долей мкм до нескольких десятков и сотен мкм. Другой диапазон армирующих волокон велик и может измеряться десятками и тысячами метров.

В настоящее время можно выделить три самостоятельных вида КМ, армированных волокнами:

Ø КМ на металлической матрице, а, именно, на алюминии, магнии, титане, армированных двумя видами волокон:

- c малой степенью пластической деформации (карбид кремния, окись алюминия, бор, углерод) нитевидные кристаллы – так называемые “усы”);

- пластически деформируемыми волокнами (проволока из бериллия, вольфрама, молибдена, и других металлов).

Ø КМ на керамической матрице: на окислах, карбидах, боридах, нитридах, интерметаллоидах и углероде, армированных волокнами карбида кремния, окиси алюминия, бора, углерода.

Ø КМ на полимерной матрице (армированные пластики), включающие стекло-, угле-, органо-, базальто-, металло-, керамикопластики и др.