Композиционные материалы Общие представления о композиционных материалах

К новым конструкционным материалам, которые по прочности, жёсткости и другим физико-механическим свойствам значительно превосходят известные конструкционные материалы, относятся так называемые композиционные материалы (КМ). Они представляют собой искусственно созданные материалы, состоящие из двух и более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединённых между собой физико-химическими связями, и обладающими характеристиками, превосходящими средние показатели составляющих его компонентов [3].

В общем случае в КМ чётко выражено различие в свойствах компонентов. Основой КМ является сравнительно пластичный материал, называемый матрицей. В матрице равномерно распределены более твёрдые и прочные вещества, называемые наполнителями или арматурой.

Принципиальное значение замены металлов на КМ в том, что вместо ограниченного числа материалов с постоянными и практически равными во всех направлениях свойствами появляется возможность применять большое число новых материалов со свойствами, отличающимися в различных направлениях в зависимости от направления ориентации наполнителя в матрице (анизотропные свойства КМ). Это различие свойств КМ является регулируемым.

У конструктора появляется возможность направленно создавать КМ под конкретную конструкцию в соответствии с действующими нагрузками и особенностями её эксплуатации. Поэтому правильно спроектированная и хорошо изготовленная конструкция из КМ может быть более совершенной, чем выполненная из металла.

Само создание изделий из КМ является примером единства конструкции и технологии, поскольку материал, спроектированный конструктором, создаётся одновременно с изделием при его изготовлении, и свойства КМ в значительной степени зависят от параметров технологического процесса.

Вместе с тем специфика КМ, в частности их низкая прочность и жёсткость при сдвиге, требует внимательного отношения к конструктивно-технологической обработке конструкции: расчёту сложных многослойных систем, сохранению в изделии высоких прочностных свойств армирующих волокон, получению стабильных характеристик КМ.

Композиционные материалы получают общее название по типу материала матрицы. КМ с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической – металлическими (МКМ), с керамической – керамическими (ККМ). с углеродной – углерод-углеродными (УУКМ).

В качестве матрицы в ПМК используют эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и другие смолы; в МКМ – алюминий, магний, титан, никель, жаропрочные стали и другие металлы.

Матрица в КМ выполняет функцию среды, в которой распределён наполнитель. Податливая матрица, заполняющая межволоконное пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жёсткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица – волокно.

Наполнитель в КМ воспринимает основные напряжения, возникающие при действии внешних нагрузок, придавая конструкции прочность и жёсткость в направлении ориентации волокон. Арматура в КМ может быть любой природы и иметь любую форму поверхности: непрерывные и дискретные волокна, чешуйки, микросферы, порошки и т.д.

При изготовлении композиционных материалов большое значение имеет адгезия (сцепление) матрицы с наполнителем. Величина адгезии может быть повышена путём очистки поверхности наполнителя. При плохой адгезии матрицы с наполнителем в материале появляются микропоры, которые значительно снижают прочность материала.

В современной технике наиболее широко применяют непрерывные высокопрочные волокна, которые обеспечивают наиболее высокие механические характеристики получаемого КМ. Чаще всего используют стеклянные, органические, углеродные, борные и различные металлические волокна.

Работоспособность КМ обеспечивается как правильным выбором и сочетанием матрицы и наполнителя, так и рациональной технологией их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между ними.