КОМПОЗИЦИОННЫЕ АРМИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

План лекции.

1. Общие сведения.

2. Краткая характеристика композиционных материалов.

3. Упрочнители композиционных материалов (армирующие материалы).

3.1. Металлические упрочнители (проволоки).

3.2. Неметаллические упрочнители: борные, углеродные керамические волокна и стекловолокно.

4. Матричные материалы.

5. Способы объединения волокон и матрицы при получении МКМ.

6. Композиционные материалы на металлической основе.

7. Композиционные материалы на неметаллической основе.

8. Керамические композиционные материалы.

9. Углерод – углеродные композиционные материалы.

10. Практическое применение композиционных материалов. Новые разработки.

10.1. Алмазный композиционный термостойкий материал.

10.2. Новые высокотемпературные композиционные материалы.

10.3. Композиционные материалы в конструкции.

10.4. Новые композиционные материалы в ремонтном производстве.

10.5. Металлополимеры.

10.6. Возможности и области применения композиционных материалов.

Общие сведения.

Первым создателем композиционных материалов (КМ) была сама природа. Множество природных конструкций (стволы деревьев, кости человека и животных, зубы людей) имеют характерную волокнистую структуру. Они состоят из сравнительно пластичного матричного материала и более твердых и прочных веществ, имеющих форму волокон.

Принципы армирования для упрочнения создаваемого материала известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 гг. при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосками каменные плиты. Прообразом композиционных материалов является широко известный железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в ХIХ веке прокаткой слоистые материалы.

Успешному развитию современных КМ содействовали разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков волокон, обладающих высокой удельной прочностью (1940-1950 гг.). Открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950-1960 гг.), разработка новых армирующих материалов – высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al₂O₃, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960-1970 гг.) привело к созданию новых конструкционных материалов – композиционных. Период 1974-1978 гг. явился началом нового этапа в развитии конструкционных композиционных материалов, армированных волокнами.

Композиционные материалы, представляют собой металлические или неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей – армирующих материалов (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру структуры композиционные материалы подразделяются на волокнистые, упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами, дисперсноупрочненные материалы, полученные путем введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. К композиционным материалам также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур.

Перспективные материалы – это комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами.

В неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу вводят тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такие композиционные материалы являются материалами будущего.

Комбинируя объемное содержание упрочнителей, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Волокнистые композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (SiC, Al₂O₃, бор, углерод и др.), являются новым классом материалов.