Классификация композиционных материалов

П о п р о и с х о ж д е н и ю различают природные, искусственные и синтетические композиционные материалы. Природные композиты находятся в готовом виде на Земле или в космосе (стволы и стебли растений, кости человека, гранит, некоторые метеориты). Искусственные и синтетические композиты являются продуктом трудовой деятельности человека.

П о н а з н а ч е н и ю композиты подразделяются на две большие группы – материалы общетехнического и специального назначения. Первые предназначены для восприятия и передачи механической нагрузки. Из них изготавливают элементы конструкций. Вторые (тоже могут быть конструкционными) выполняют в составе изделий специальные функции: снижение трения и изнашивания подвижных сопряжений, защита от коррозии металлических деталей; звуко- и теплоизоляция и т.п.

П о м а т е р и а л у м а т р и ц ы различают:

-полимерные композиты (термопластичные, на основе реактопластов, на основе смесей полимеров);

-металлические композиты (в том числе, получаемые методом порошковой металлургии, и сплавы, состоящие из макронеоднородных фаз)

-керамические и другие неорганические композиты (на основе неорганических полимеров, на минеральной, углеродной, оксидной и других неорганических матрицах);

-комбинированные (полиматричные) композиты.

П о п р и р о д е к о м п о н е н т о в, вводимых в матрицу, композиты подразделяются на наполненные и армированные.

Наполненные композиты содержат в матрице наполнители – дисперсные (т.е. раздробленные, мелкие) частицы неорганических и органических веществ, которые могут находиться в любой фазе. Наполнители выполняют в композитах следующие функции: 1) изменяют механические показатели композитов и придают им специальные свойства (электрическую проводимость, химическую стойкость, звукопоглощение и т.д.); 2) улучшают технологичность композитов, т.е. их приспособленность к переработке в изделия (например, антифрикционные компоненты улучшают прессуемость порошковых смесей; пластификаторы увеличивают смачивание связующим порошковых частиц; активные добавки усиливают адгезию компонентов и т.п.); 3) снижают стоимость изделий, т.к. наполнители (например, газовые включения, песок, каолин и др.), как правило, дешевле связующих.

Армированные композиты имеют в составе армирующие элементы (арматуру) более прочные, чем матрица. Как правило, это – длинномерные компоненты, которые при эксплуатации композита воспринимают значительную часть приложенной к нему механической нагрузки. С помощью наполнителей прочность матрицы можно увеличить в 1,5-2,0 раза, а путем армирования – на порядок и более. Кроме того, армирующие элементы могут придавать композитам тепло- и электропроводность, а также такое специфическое свойство, как радиопоглощение (способность поглощать электромагнитные волны радиодиапазона), анизотропию механических и других свойств, создавать необычную структуру поверхностного слоя и т.д. Вклад армирующих компонентов (волокна, нити, ткани, листовые материала, объемные волокнистые или пористые элементы и др.) в свойства композитов нередко является определяющим. Поэтому в названиях композитов часто находит отражение химическая природа арматуры – графитопласты, металлокерамика, стекловолокниты и т.п.

П о ф о р м е н а п о л н и т е л я разделяют на тр основные группы: нуль-мерные (частицы очень малых размеров); одномерные (волокна) и двумерные (пластины, листы, ткань).

П о п р и з н а к а м с т р у к т у р ы различают дисперсно-наполненные, волокнистые, слоистые, каркасные и комбинированные композиты.

Дисперсно-наполненные композиты состоят из непрерывной матрицы, в которой распределена дисперсная фаза в виде твердых частиц (порошка, коротких волокон, микросфер и т.п.) – нуль-мерные наполнители. Частицы дисперсной фазы могут быть расположены в матрице хаотически, но чаще их стараются разместить в определенном порядке. При хаотическом расположении частиц материалы изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях. Если наполнитель ориентирован в матрице определенным образом, то композиты анизотропны - их свойства зависят от направления. Анизотропия, «проектируемая» в композиционных материалах с целью придания изделиям определенных свойств, называется конструкционной.

Волокнистые композиты – материалы с непрерывной матрицей, соединяющей длинные волокна. При хаотическом расположении волокон композиты анизотропны. Ориентированная укладка волокон приводит к изотропии свойств.

Волокнистые композиты характеризуются повышенной трещиностойкостью. Волокнистые композиты сохраняют работоспособность даже при накоплении значительных повреждений.

Слоистые композиты - материалы, состоящие из листовых или расположенных послойно волокнистых компонентов, скрепленных между собой с помощью связующего.

Композит может быть образован слоями ткани или нетканого волокнистого материала, состоять из листовых (бумага, фольга, пленка) компонентов. Регулированием расположения нитей в тканях можно улучшить прочностные и некоторые другие свойства композитов,

Каркасные композиты – материалы, состоящие из двух или более непрерывных фаз. Непрерывная трехмерная армирующая фаза чаще всего состоит из семейств ориентированных волокон, которые расположены, например, во взаимно перпендикулярных направлениях . Подобный каркас может быть образован не только тремя, но и n семействами волокон. Еще один типичный каркасный композит - пористая матрица, пропитанная жидким отверждающимся компонентом

Комбинированные композиты имеют признаки, дающие основания отнести их к нескольким структурным типам композиционных материалов. Полиармированный композит содержит два или более различных по природе и (или) структуре армирующих элемента, например, его матрица может быть наполнена и армирована.

П о м е т о д а м п о л у ч е н и я композиты подразделяют на классы в зависимости от нескольких признаков.

Наиболее общей является классификация по фазовому состоянию компонентов во время их соединения в композиционный материал. Компоненты могут находиться в твердой или жидкой фазах, могут быть осаждены с помощью газофазных процессов, связаны в композит с применением вязкотекучего состояния одной или нескольких фаз, наконец, композит может быть сформирован путем комбинирования названных состояний компонентов.