Класифікація армованих КМ

Теоретичні основи зміцнення матеріалів волокнами

Наука про композиційні матеріали (КМ) зовсім молода, проте теорія зміцнення матеріалів волокнами досягла значних успіхів. Вона дозволяє знайти загальні закономірності зміцнення для композицій з різними матрицями, не дивлячись на те що технологічні прийоми отримання КМ на металевій, полімерній або керамічній основах можуть істотно відрізнятися один від одного. Механіка зміцнення КМ базується на положеннях теорії анізотропних середовищ, теорії пружності і опору матеріалів. Матеріалознавців, що займаються синтезом КМ, в першу чергу цікавить питання – як розрахувати властивості композиції по відомих характеристиках і концентраціях компонентів. Для вирішення цієї задачі необхідно використовувати розрахункові моделі. Питання про те, наскільки достовірно та або інша модель описує поведінку реальних КМ, можна вирішити лише експериментальною перевіркою, оскільки будь-яка модель ідеалізує поведінку реальних об'єктів. Найбільш розроблений і простий з теоретичної точки зору випадок КМ, це КМ армовані волокнами, які орієнтовані в одному напрямі. Розгляду механічних властивостей таких композицій буде приділено основну увагу. Перш ніж приступити до аналізу механічних властивостей КМ, розглянемо основні види анізотропних матеріалів, які використовуються в техніці.

Класифікація армованих КМ

Композиційні армовані матеріали можна класифікувати по наступних ознаках: матеріалу компонентів, типу арматури і її орієнтації, способу отримання композиції і виробів з них, за призначенням. Залежно від матеріалу матриці (принцип матеріалознавства) всі КМ можна розбити на три групи: композиції з металевою матрицею – металеві композиційні матеріали (МКМ), з полімерною – полімерні композиційні матеріали (ПКМ) і з керамічною – керамічні композиційні матеріали (ККМ).

Полімерні КМ в більшості випадків називають за матеріалом армуючих волокон. ПКМ, армовані скляними волокнами, називаються склопластиками (скловолокнитами), металевими – металопластиками (металоволокнитами), органічними – органопластиками (органоволокнитами), борними – боропластиками (бороволокнитами), вуглецевими – вуглепластиками (вуглеволокнитами), азбестовими – азбопластиками (азбоволокнитами) і т.п.

Відносно металевих і керамічних КМ поки що немає чітко встановлених правил привласнення назв. В більшості випадків спочатку називають матеріал матриці, потім матеріал волокна. Наприклад, позначення "мідь - вольфрам" (Cu-W') відноситься до КМ з мідною матрицею і вольфрамовими волокнами; "оксид (ІІІ) алюмінія - молібден" (Аl₂O₃-Мo) – до КМ на основі Аl₂O₃ з арматурою з молібденових проволок. Ми будемо користуватися такими позначеннями, але в літературі іноді зустрічається і інше: спочатку указують матеріал волокна, а потім - матриці. Залежно від початкового структурного і фазового стану матричного матеріалу розрізняють МКМ з порошковою, литою і листовою матрицею. КМ, що набирають з поперемінних шарів волокон і тонких листів матричного матеріалу, називають іноді КМ типу "сендвіч". Для отримання ККМ частіше всього використовують матрицю у вигляді порошку.

По орієнтації і типу арматури (конструкційний принцип) всі КМ можна розбити на дві групи ізотропні і анізотропні.

Ізотропними називають матеріали, що мають однакові властивості у всіх напрямках. Серед КМ, що розглядаються в цьому посібнику, до числа ізотропних відносяться дисперсно-зміцнені і хаотично армовані матеріали. В першому випадку зміцнюючі елементи мають приблизно рівноосьну форму, в другому зміцнення здійснюється короткими (дискретними) частинками голчатої форми, хаотично орієнтованими в просторі. В якості таких частинок використовують відрізки волокон або ниткоподібні кристали („вуса”); при цьому КМ виходять квазіізотропними, тобто анізотропними в мікрооб'ємах, але ізотропними в об'ємі всього виробу.

Анізотропними називають матеріали, властивості яких залежать від напряму. До таких КМ відносять матеріали, волокна яких орієнтовані в певних напрямах – однонаправлені, шаруваті і трьохмірноармовані. Анізотропія КМ конструкційна: її спеціально закладають в КМ для виготовлення конструкції, де вона найбільш бажана. На відміну від такої анізотропії існують технологічна анізотропія, що виникає при пластичній деформації ізотропних матеріалів (металів), і фізична анізотропія, властива кристалам у зв'язку з особливостями будови їх кристалічних ґраток.

В техніці найчастіше використовують анізотропні КМ з певною симетрією властивостей. При вивченні їх физико-механічних характеристик реальний, як правило, вельми неоднорідний, матеріал представляють як деяке суцільне однорідне середовище, що ідеалізується, з відповідною симетрією будови і властивостей. Найбільш часто практично важливі орієнтовані КМ вдається представити як ортотропні або як трансверсально ізотропні середовища.

Ортотропними (ортогонально анізотропними) називають матеріали, що характеризуються наявністю в кожному елементарному об'ємі трьох взаємно перпендикулярних площин симетрії властивостей. З достатнім ступенем точності до таких матеріалів можна віднести КМ, армовані волокнами з подовжньо-поперечним укладанням (рис. 1.1), а також шаруваті КМ, армовані в двох неортогональних напрямах і , під кутом 2g (рис. 1.2) з правильним чергуванням шарів.

Рис. 1.1. Схематичне зображення структури ортотропного КМ з поздовжньо-поперечним укладанням волокон

Рис. 1.2. Напрями осей армування в ортотропних КМ з неортогональним укладанням

волокон

В останньому випадку площинами симетрії будуть серединна площина листа і дві площини, перпендикулярні до неї які проходять через бісектриси х₁ та х₂ кутів 2g і b.

Доведено (теорією анізотропних середовищ), що шаруваті матеріали із зірковим укладанням волокон в суміжних шарах (рис. 1.3) володіють ізотропією властивостей в площині листа, якщо кут між напрямами волокон в суміжних шарах менше 72°. Матеріали, що мають площину ізотропії і перпендикулярну до неї вісь симетрії n-го порядку (Віссю симетрії n-го порядку називають таку вісь, навколо якої достатньо обернути фігуру на кут 2p/n, щоб отримати повне поєднання всіх точок фігури з їх первинним положенням), називають трансверсально ізотропними (транстропними). До таких матеріалів звичайно відносять і однонаправлені КМ. В цьому випадку площина ізотропії уz перпендикулярна до напряму х укладання волокон (рис. 1.4).

Однонаправлені матеріали називають також матеріалами з орієнтацією волокон 1:0 (дріб показує відношення числа шарів волокон в подовжньому і поперечному напрямах), двомірноармовані шаруваті КМ з взаємно перпендикулярним укладанням волокон позначають дробами 1:1, 1:2, 1:3, 3:4 і т.п. Шаруваті КМ із зірковим укладанням, волокна яких в суміжних шарах утворюють між собою кут 60°, називають матеріалами з укладанням 1:1:1. Тримірноармовані орієнтовані КМ одержують армуванням матриць волокнами в трьох взаємно перпендикулярних напрямах або об'ємними тканинами.

Рис. 1.3. Схема орієнтації арматури в шаруватих КМ із зірковим укладанням волокон в суміжних шарах

За способом отримання (технологічний принцип) полімерні КМ можна розділити на ливарні, пресовані і намотувальні. ПКМ з хаотичною структурою звичайно одержують литвом і пресуванням, а з орієнтованою – намотуванням і пресуванням. Металеві КМ за цим способом ділять на ливарні і деформуємі.

Рис. 1.4. Схематичне зображення структури однонаправленого КМ (чорні області – волокна, білі – матриця)

Ливарні одержують, просочуючи арматуру розплавленим матричним сплавом або застосовуючи направлену кристалізацію сплавів евтектичного складу з виділенням зміцнюючої армуючої фази безпосередньо з розплаву (так званий метод in situ – в собі, на місці перебування). Для отримання деформуємих МКМ застосовують спікання, гаряче пресування, дифузійну зварку, гаряче штампування і кування на молотах, вибухове пресування, електролітичне, хімічне і парогазовое осадження, плазмове і газополум'яне напилення і ін. Більшість з цих твердофазних методів, виключаючи динамічні, застосовують і для отримання керамічних КМ.

За призначенням (експлуатаційний принцип) КМ можна розбити на матеріали загальноконструкційного призначення (для різного роду несучих конструкцій літаків, ракет, суден, автомобілів, двигунів, посудин високого тиску, предметів широкого споживання і т.д ), жароміцні (для лопаток турбін, камер згоряння і інших виробів, працюючих при підвищених температурах), термостійкі (для виробів, які експлуатуються в умовах різких теплозмін, наприклад, для облицьовування каналів МГД-генераторів), фрикційні і антифрикційні (підшипники ковзання, шестерні і ін.), ударотривкі (броня літаків, танків і т. п.), теплозахисні і КМ з спеціальними властивостями (електричними, магнітними, ядерними, оптичними і ін.).