Общие представления о композитах и их классификация.

Композиционные материалы представляют собой гетерофазные системы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента.

Для композиционных конструкционных материалов характерны следующие признаки:

– исходная определенность состава и формы компонентов;

– исходная определенность количества компонентов, обеспечивающих заданные свойства материала;

– однородность в макромасштабе и неоднородность в микромасштабе;

– наличие четкой границы раздела между компонентами.

В большинстве случаев компоненты композиции различаются по геометрическому признаку. Компонент, обладающий непрерывностью по всему объему, называется матрицей, компонент, разделенный в объеме композиции, называется армирующим компонентом. Матрицей могут служить металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Армирующими компонентами являются волокнистые материалы различной природы или тонкодисперсные порошкообразные частицы.

В зависимости от вида армирующего компонента композиты подразделяются на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые.

Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, а армирующие частицы второй фазы создают условия для эффективного сопротивления пластической деформации.

У волокнистых композитов матрица армируется высокопрочными волокнами, проволокой или нитевидными кристаллами. Идея создания волокнисто-армированных структур состоит в том, чтобы при его деформации обеспечивалось нагружение волокон и использовалась бы их высокая прочность.

К материалу матрицы волокнистых композитов предъявляются следующие требования: хорошая смачиваемость волокна, возможность предварительного изготовления полуфабрикатов с последующим изготовлением из них изделий; качественное соединение слоев композита в процессе формования; невысокие параметры формообразования (например, температуры, давления).

Свойства границы раздела определяют уровень свойств композитов и их сохранение при эксплуатации. Локальные напряжения в композите достигают максимальных значений как раз вблизи или непосредственно на границе раздела, где обычно и начинается разрушение материала. Граница раздела должна иметь определенные свойства, чтобы обеспечить эффективную передачу механической нагрузки от матрицы на волокно. Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием термических и усадочных напряжений, возникающих вследствие различия в температурных коэффициентах линейного расширения матрицы и волокна или в результате химической усадки связующего при его отверждении.

Рассмотрим классификацию и основные особенности композитов. Простейший случай волокнистой структуры, характеризующей особенности данного класса материалов, представляет собой набор однородных волокон, заключенных в пластичной матрице. Свойства такого композита, образованного однонаправленно ориентированными волокнами, анизотропны.

Максимальные прочность и жесткость однонаправленного композита реализуются в направлении укладки волокон и могут быть в общем случае рассчитаны по известным свойствам его компонентов и их количественному соотношению.

Важнейшее достоинство композитов – возможность создавать из них элементы конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитов, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композита.

Можно выделить несколько больших групп композиционных материалов. К таким группам следует отнести композиты с полимерной матрицей (пластики), композиты с металлической матрицей (металлокомпозиты), композиты с керамической матрицей и композиты с углеродной матрицей.

На рис. 7.1 представлена классификация композитов по конструктивному признаку.

Рис. 7.1. Классификация композитов по конструктивному признаку: а – хаотически армированные: 1 – короткие волокна; 2 – непрерывные волокна; б – одномерноармированные: 1 – однонаправленные непрерывные; 2 – однонаправленные короткие; в – двумерноармированные: 1 – непрерывные нити; 2 – ткани; г – пространственно армированные: 1 – три семейства нитей; 2 – n семейств нитей.

Свойства композитов зависят не только от свойств волокон и матрицы, но и от способов армирования. Различают композиты: образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокнами; армированные тканями (текстолиты); с хаотическим и пространственным армированием.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита. Появление ряда новых свойств в композитах связано с гетерогенной структурой, обусловливающей наличие большой поверхности раздела между волокнами и матрицей, а также возможным взаимодействием матрицы и армирующего компонента.