1.2. Классификация композиционных материалов

Классификация композитов может осуществляться по разным признакам

1) по природе компонентов (обычно материала матрицы); метал­лические; полимерные; жидкокристаллические; керамические; другие неорганические материалы (углерод, оксиды, бориды и др.).

Если один из компонентов композита непрерывен во всем объеме, а другой является прерывистым, разъединенным, то первый компонент на называют матрицей (связующим), а второй - арматурой (армирующим элементом, наполнителем). Матрица в композите обеспечивает моно­литность материала, передачу и распределение напряжений в наполни­теле, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость. Есть композиты, для которых понятие матрицы и арматуры неприменимо, например, для слоистых композитов, состоящих из чередующихся сло­ев, или для псевдосплавов, имеющих каркасное строение. Псевдосплавы получают пропиткой пористой заготовки более легкоплавкими компо­нентами, их структура представляет собой два взаимопроникающих непрерывных каркаса. Обычно композиты получают общее название по материалу матрицы.

2) по структуре композита: каркасная; матричная; слоистая;

комбинированная.

К композитам с каркасной структурой относятся, например, псев­досплавы, полученные методом пропитки; с матричной структурой -дисперсно-упрочненные и волокнистые композиты; со слоистой струк­турой - композиты, составленные из чередующихся слоев фольги или листов материалов различной природы или состава; с комбинированной структурой - включающие комбинации первых трех групп (например, псевдосплавы, каркас которых упрочнен дисперсными включениями -каркасно-матричная структура и др.).

3) по геометрии армирующих компонентов (наполнителя): порош­ковые и гранулированные (армированы частицами); волокнистые (ар­мированы волокнами, нитевидными кристаллами, делятся на непрерыв­ные и дискретные); слоистые (армированы пленками, пластинами, слои­стыми наполнителями).

4) по расположению компонентов (схеме армирования, рис. 1.1): изо­тропные или квазиизотропные (порошковые, дисперсно-упрочненные, хаотично армированные дисперсными частицами, дискретными или непре­рывными волокнами и др.); анизотропные (волокнистые, слоистые с опре­деленной ориентацией армирующих элементов относительно матрицы).

Изотропные материалы имеют одинаковые свойства во всех на­правлениях, анизотропные - разные. К числу изотропных композитов относятся псевдосплавы и хаотично армированные материалы. Упроч­нение хаотично армированных композитов осуществляется короткими (дискретными) частицами игольчатой формы, ориентированными в пространстве случайным образом. В качестве таких частиц используют отрезки волокон или нитевидные кристаллы (усы), при этом композиты получаются квазиизотропными, т.е. анизотропными в микрообъемах, но изотропными в макрообъеме всего изделия.

Анизотропия композита является конструкционной, она заклады­вается специально для изготовления конструкций, в которых наиболее рационально ее использовать. Возможность управления свойствами вновь создаваемых материалов, особенно хорошо реализуемая при про­ектировании гибридных (армированных несколькими типами наполни­телей) композитов, оказывает существенное влияние на совершенство­вание технологического проектирования. Например, композиты с мат­ричной структурой, упрочненные армирующими элементами, ориенти­рованными определенным образом в пространстве, относятся к упоря­дочение армированным. Они подразделяются на одноосноармированные или однонаправленные (с расположением арматуры вдоль одной оси), двухосноармированные (с плоскостным расположением арматуры) и трехосноармированные (с объемным расположением арматуры).

Часто композит представляет собой слоистую структуру, в кото­рой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерыв­ных волокон. Однако каждый слой можно армировать также непрерыв­ными волокнами, сотканными в ткань определенного рисунка (средний ряд на рис. 1.1), которая представляет собой исходную форму, по шири­не и длине соответствующую исходному материалу. Разработанные к настоящему времени геометрии армирования позволили отказаться от послойной сборки материала: волокна сплетают в трехмерные структу­ры (нижний ряд на рис. 1.1). В некоторых случаях уже на этой стадии можно задать форму изделию из композита. Выбор среди возможных типов армирования осуществляется на основе экономических сообра­жений и требований, предъявляемых к работе изделий.

Традиционно выбор материала и проектирование компонентов конструкции были отдельными задачами. Когда композиты стали вы­теснять металлы и сплавы из таких областей, как самолето-, судо- и ав­томобилестроение, промышленный дизайн и выбор материала соедини­лись и стали просто различными аспектами одного процесса.

Контроль микроструктуры композита позволяет наилучшим обра­зом учесть распределение нагрузок, которым будет подвергаться изде­лие. В то же время в конструкции изделия отразятся и отличительные

свойства композита: зависимость от ориентации и сложности формы, которую им можно придать в процессах формования - при прессовании, прокатке, намотке, армировании и др. Трудности, возникающие при одновременном конструировании изделия и его материала, предполага­ют, что промышленный дизайн будет все больше зависеть от совместных разработок специалистов разных областей, а также от компьютерного мо­делирования этих работ. Только такой подход обеспечит полное использо­вание потенциальных возможностей композитов в технологиях будущего. частицы непрерывные волокна короткие волокна

трехмерная цилиндрическая трехмерное плетение трехмерная ортогональная

конструкция основа

Рис.1.1. Различные геометрии армирующих компонентов и схемы армирования композитов

Следует отметить, что наряду с конструкционной анизотропией композита существуют технологическая анизотропия, возникающая при пластической деформации изотропных материалов, и физическая анизотропия, присущая, например, кристаллам и связанная с особенно­стями строения кристаллической решетки.

5) по количеству компонентов: полиматричные - использование в одном материале нескольких матриц; гибридные (полиармированные) -использование наполнителей различной природы

Композиты, которые содержат два или более различных по составу или природе типа армирующих элементов, называются полиармированными или гибридными. Гибридные композиты могут быть простыми, если армирующие элементы имеют различную природу, но одинаковую геометрию (например, стеклоуглепластик - полимер, армированный стеклянными и углеродными волокнами), и комбинированными, если армирующие элементы имеют и различную природу, и различную гео­метрию (например, бороалюминий с прослойками из титановой фольги).

6) по методу получения: искусственные; естественные. К искусственным относятся все композиты, полученные в резуль­тате искусственного введения армирующей фазы в матрицу, к естест­венным - сплавы эвтектического и близкого к ним состава. В эвтекти­ческих композитах армирующей фазой являются ориентированные во­локнистые или пластинчатые кристаллы, образованные естественным путем в процессе направленной кристаллизации.

По мере создания новых композитов «старые» виды классифика­ции расширяются и могут возникать новые.