Материал матрицы и армирующих компонентов.

Харктеристика композиционных материалов по материалу матрицы и армирующих компонентов указывает на их физико- химическую природу.

По материалу матрицы различают:

1. Металлические композиционные материалы или композиционные материалы на основе металлов и сплавов: чаще всего используются алюминий, магний, титан, медь и сплавы на их основе. Также делаются попытки использовать в качестве матрицы высокопрочные стали, тугоплавкие металлы и сплавы.

2. Композиционные материалы на основе интерметаллидов (химическое соединение металла с металлом): в качестве материала матрицы используютя жаропрочные интерметаллиды – Ti₃Al, TiAl, NiAl, Ni₃Al и др. Сюда относят композиты на основе силицидов металлов типа MoSi₂, Nb₅Si₃ и др.

3. Керамические композиционные материалы: в качестве матрицы используются неорганические соединения силикатные (SiO₂), алюмосиликатные (Al₂O₃-SiO₂), нитриды (Si₃N₄), бориды (TiB₂, ZrB₂) и карбиды (SiC, TiC).

4. Композиционные материалы на основе неметаллических компонентов в качестве матрицы используют каменноугольные и нефтяные пропитывающие пеки – вязкие остатки перегонки дегтей, смол, образующихся при термической обработке твердых топлив (угля, торфа и т.д.) или при пиролизе нефти. Это так называемая углеродная матрица, она представляет собой сложную смесь полуциклических ароматических углеводородов.

5. Композиционные материалы с матрицей из полимеров: матрицу составляют эпоксидные, полиэфирные, феноло-формальдегидные и полиамидные смолы.

Армирующие компоненты (наполнители).

В настоящее время широкое применение нашли армирующие компоненты, изготовленные из:

- металлов и сплавов (стали, бериллия, вольфрама титана и др.);

- неметаллов (углерод, бор);

- керамики (Al₂O₃, SiC, TiB₂, TiC, AlN и др.);

- стекол (стекло Е, стекло S);

- органических веществ (лавсан, кевлар, полиэтилен и др.)

Структура: геометрия и расположение компонентов структурных составляющих.

Классификация по структуре, где композиционные материалы классифицируются в соответствии с морфологией фаз, составляющих их микроструктуру, или геометрией компонентов (рис. 20.2).

Согласно этой классификации, композиционные материалы относятся к одному из следующих классов:

I. Дисперсноупрочненные компоненты и композиты, армированные частицами (рис. 20.2. а).

В качестве армирующих компонентов используют металлы, интерметаллиды, оксиды, нитриды, бориды и другие вещества существенно отличающиеся от матрицы по физико-механическим свойствам.

В дисперсноупрочненных материалах армирующий компонент является нульмерным (частица). Здесь матрица воспринимает основную часть нагрузки, а распределенные в ней частицы препятствуют движению дислокаций при приложении нагрузки.

В композитах, армированных частицами, частицы беспорядочно распределены в матрице и в зависимости от их количества могут либо упрочнять матрицу, препятствуя развитию дислокационного скольжения, либо «разгружают» матрицу, воспринимая часть приложенной нагрузки.

Главное преимущество дисперсноупрочненных композитов состоит не в повышении предела текучести при комнатной температуре, а в способности сохранять высокий уровень предела текучести и соответственно увеличивать сопротивление ползучести матрицы в широкой температурной области.

В дисперсноупрочненных композитах количество частиц составляет 1…15%.

Композиты, армированные частицами, содержат частиц более 25% и их роль сводится не только к упрочнению матрицы, сколько к перераспределению приложенной нагрузки между матрицей и наполнителем. Причем основное назначение матрицы – это передача нагрузки армирующим частицам.

II. Волокнистые композицонные материалы (рис. 20.2, б).

В данных материалах пластичная матрица армирована высокопрочными волокнами толщиной от нескольких микрометров до сотен микрометров. В качестве армирующих волокон могут использоваться: металлические проволоки, усы и кристаллы фаз, полученных направленной кристаллизацией, волокна неметаллов (углерода, бора), керамические волокна на основе Al₂O₃, SiC и др., стекловолокно, органические волокна (полиэтиленовые, полиэфирные, полиамидные и др.).

В волокнистых композиционных материалах волокна, которые имеют более высокий модуль упругости и предел прочности, чем матрица, воспринимают основную долю нагрузки.

Содержание волокон в матрице может меняться в широких пределах. Теоретически максимальное содержание волокон может достигать 91% объема. Однако в реальных условиях уже при объемной доле волокн 80% возникают проблемы на границе раздела волокно-матрица, что приводит к ухудшению свойств волокнистого композита.

III. Слоистые композиционные материалы (рис. 20.2, в).

Этот класс композитов характеризуется тем, что компоненты расположены послойно. На макроскопическом уровне слоистые композиты могут быть реализованы в парах металл-металл, полимер-полимер, металл-полимер. Они представляют собой слои разнородных материалов толщиной от 100 до 1000 мкм с различной природой границы раздела.

Рис. 20.2. Схематическое изображение микроструктур композиционных материалов:

1 – матрица; 2 – армирующие частицы; 3 – армирующие волокна;

По схеме армирования композиционные материалы подразделяются на три группы:

1. Одноосное (линейное) армирование. Для армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители. Нуль-мерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси значительно меньше, чем по двум другим. Одномерные наполнители располагаются параллельно друг другу (рис. 20.3).

2. Двуосное армирование. Здесь для армирования используют нуль-мерные, одно- и двухмерные наполнители. Нуль-мерные и одномерные наполнители располагаются в параллельных плоскостях. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. Двумерные наполнители параллельны один другому (рис. 20.4).

Рис. 20.3. Схема одноосного армирования:

а) нуль-мерные наполнители;

б) одномерные наполнители.

Рис. 20.4. Схема двуосного армирования:

а) нуль-мерные наполнители;

б) одномерные наполнители;

в) двухмерные наполнители.

3. Трехосное (объемное) армирование. Для армирования применяют нуль-мерные и одномерные наполнители. Расстояние между нуль-мерными наполнителями по всем плоскостям одинаково. Одномерные наполнители располагаются в трех и более пересекающихся плоскостях (рис. 20.5).

Рис. 20.5. Схема трехосного армирования:

а) нульмерные наполнители;

б) одномерные наполнители.