Требования ,предъявляемые к компонентам композиционных материалов

Композиционные материалы (КМ)

Классификация композиционных материалов

Композиционными называются материалы ,обладающие следующей совокупностью признаков: не встречаются в природе, поскольку созданы человеком; состоят из двух или более компонентов, различающихся по своему химическому составу и разделённых выраженной границей; имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов; неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе; состав, форма и распределение компонентов «запроектированы» заранее; свойства определяются каждым из компонентов, которые в связи с этим должны быть в материале в достаточно больших количествах( больше некоторого критического содержания) [1].

Компонент, непрерывный во всём объёме КМ, называется матрицей, прерывистый, разъединённый в объёме композиции,- арматурой или армирующим элементом. Понятие «армирующий» означает «введённый в материал с целью изменения его свойств» (не обязательно «упрочняющий»)[1].

В зависимости от геометрии армирующих элементов и их взаимного расположения КМ бывают изотропными или анизотропными.

Первые имеют одинаковые свойства во всех направлениях, свойства вторых зависят от направления. К макроскопически изотропным КМ относятся дисперсно-упрочнённые сплавы, псевдосплавы и хаотично армированные КМ; к анизотропным КМ-материалы, в которых волокна ориентированы в определённых направлениях. Хаотично армированные КМ упрочняются короткими(дискретными) частицами игольчатой формы (отрезками волокон или НК-так называемыми усами), ориентированными в пространстве случайным образом. При этом КМ получаются квазиизотропными, т.е. анизотропными в микрообъёмах, но изотропными в объёме всего изделия.

Анизотропия КМ, «проектируемая» заранее с целью изготовления из КМ конструкций, в которых наиболее рационально её использовать, называется конструкционной. Существуют технологическая анизотропия , возникающая при пластической деформации изотропных материалов (металлов), и физическая, присущая кристаллам и связанная с особенностями строения их кристаллической решётки. Обычно в технике используются анизотропные КС с определённой симметрией свойств (предполагается ,что реальный неоднородный материал представляет собой некую идеализированную сплошную однородную среду, обладающую симметрией строения и свойств).

Ортотропные (ортогонально анизотропные) материалы характеризуются наличием в каждом элементарном объёме трёх взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии свойств. К таким материалам относятся КМ, армированные последовательно чередующимися слоями волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях(рисунок 1.1) и тканями с продольно-поперёчной укладкой.

Рисунок 1.1 – Схематическое изображение структуры ортотропного КМ, армированного чередующимися слоями в двух взаимно перпендикулярных направлениях

Слоистые КМ со звёздной укладкой волокон в смежных слоях(рисунок 1.2) обладают изотропией свойств в плоскости листа в том случае, если угол между направлениями укладки волокон в смежных слоях меньше 72⁰.

Рисунок 1.2 – Схема ориентации волокон в слоистых КМ со звёздной укладкой волокон в смежных слоях

К некоторым КМ понятие матрицы и арматуры неприменимо. К таким КМ относятся слоистые КМ, состоящие из чередующихся слоёв двух металлических сплавов, или псевдосплавы, имеющие каркасное строение.

Принцип классификации

Классифицируют КМ по следующим основным признакам: материалу матрицы и армирующих элементов, геометрии компонентов, структуре и расположению компонентов, методу получения. Иногда КМ разделяют по назначению, но так как одни и те же КМ могут иметь различное назначение, то этот принцип классификации используется редко.

Общее название КМ, как правило, происходит от материала матрицы. КМ с металлической матрицей называют металлическими КМ, с полимерной -ПКМ, с неорганической - неорганическими КМ. КМ, содержащий два или более различных по составу или природе матричных материала, называется полиматричным.

Характеристика КМ по материалу матрицы и армирующихэлементов указывает на их природу. Название полимерных КМ состоит обычно из двух частей.

КМ, содержащие два или более различных по составу или природе типа армирующих элементов, называются полиармированными. Полиармированные КМ разделяются на простые, если армирующие элементы имеют различную природу, но одинаковую геометрию и комбинированные , если армирующие элементы имеют различные и природу, и геометрию [1].

В соответствии с геометрией армирующих элементов (порошки или гранулы, волокна, пластины) КМ делятся на порошковые волокнистые и пластинчатые.

В соответствии с классификацией КМ по структуре и расположению компонентов КМ разделяются на группы с каркасной ,матричной,слоистой и комбинированной структурой.

В соответствии с классификацией по методам получения КМ подразделяются на КМ, полученные жидко- или твёрдофазным методами, методами осаждения-напыления и комбинированными методами.

Требования ,предъявляемые к компонентам композиционных материалов

Волокна

Волокна используются в качестве арматуры КМ. Они должны обладать небольшой плотностью, высокой прочностью во всём интервале рабочих температур, технологичностью, минимальной растворимостью в матрице, высокой химической стойкостью, отсутствием фазовых превращений в зоне рабочих температур и быть нетоксичными при изготовлении и эксплуатации. Для армирования применяют НК (усы), металлическую проволоку, неорганический и органические волокна. НК имеют диаметр от долей микрометра до нескольких микрометров и длину от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Металлическую проволоку применяют обычно из сталей, вольфрама, молибдена, бериллия, титана, ниобия и других металлов и сплавов.

Высокопрочная металлическая проволока из стали, вольфрама, молибдена и других металлов, хотя и имеет большую плотность и меньшую прочность, чем усы, благодаря своей технологичности, широкой доступности и сравнительно невысокой стоимости, используется в качестве арматуры, особенно для КМ на металлической основе, намного чаще ,чем НК. Поликристаллические неорганические волокна , как и металлическая проволока ,выпускается промышленностью в больших количествах. Их недостатком является высокая чувствительность к механическим повреждениям, однако малая плотность , высокая прочность, химическая стойкость углеродных, борных, стеклянных, карбидокремниевых, кварцевых и других волокон позволяет широко использовать их для армирования пластмасс и металлов. Органические волокна используются для армирования полимерных матриц.

Матрица

Роль матрицы в армированных КМ заключается в придании изделию необходимой формы и создании монолитного материала. Объединяя в одно целое многочисленные волокна, матрица позволяет композиции воспринимать различного рода внешние нагрузки: растяжение( как в направлении армирования, так и перпендикулярно ему),сжатие, изгиб, сдвиг и др. В то же время матрица должна принимать участие в создании несущей способности композиции, обеспечивая передачу усилий на волокна. За счёт пластичной матрицы осуществляется также передача усилий от разрушенных или дискретных (коротких) волокон соседним волокнам и уменьшение концентрации напряжений вблизи различного рода дефектов. Матрица служит и защитным покрытием, предохраняющим волокна от механических повреждений и окисления.

Существуют матрицы на основе меди, алюминия, кобальта, магния, никеля, титана.