Общая характеристика композиционных материалов

И их классификация

Внимание к композиционным материалам в последнее время непрерывно возрастает. Это объясняется тем, что возможности повышения механических свойств традиционных конструкционных материалов в значительной степени исчерпаны.

Композиционные материалы по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы. Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала.

Рис. 10.1. Удельные прочность и жесткость стали, титановых, алюминиевых сплавов и композитов (КАС-1, ВКА-1Б).

Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью данных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиции выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

По своему составу композиционные материалы состоят из основы (матрицы) и наполнителя (упрочнителя, армирующего компонента).

Основой (матрицей) композиционных материалов служат металлы или сплавы, полимеры, углеродные и керамические материалы.

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики как: рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, плотность и удельная прочность.

Созданы композиционные материалы с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев (двух и более) различного химического состава. Такие материалы называют полиматричными. Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность композиционных материалов в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

В матрице равномерно распределен другой компонент, называемый арматурой или армирующим компонентом, или, иногда наполнителем. Понятие «армирующий» означает – «введенный в материал с целью изменения свойств», но не несет в себе однозначного понятия «упрочняющий».

Армирующие компоненты должны обладать высокими прочностью, твердостью, и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу.

Свойства композиционных материалов зависят также от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы:

1. Нульмерные наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы);

2. Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна);

3. Двухмерные наполнители имеют два размера соизмеримых с размером композиционного материала и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

Нитевидная форма армирующих элементов имеет как положительные так и отрицательные стороны. Преимущество их состоит в высокой прочности и возможности создать упрочнение только в том направлении, в котором это требуется конструктивно. Недостаток такой формы заключается в том, что волокна способны передавать нагрузку только в направлении своей оси, тогда как в перпендикулярном направлении упрочнения нет, а в некоторых случаях может проявиться даже разупрочнение.

Наполнители, используемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства: высокую температуру плавления, малую плотность, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, технологичность, минимальную растворимость в матрице, высокую химическую стойкость, отсутствие токсичности при изготовлении и в эксплуатации.

Композиционные материалы, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными.

Если композиционные материалы состоят их трех и более компонентов, они называются гибридными.

Композиционные материалы классифицируются по нескольким основным признакам:

а) материалу матрицы и армирующих компонентов;

б) структуре: геометрии и рапсоложению компонентов;

в) методу получения;

г) области применения.

Рассмотрим некоторые классификационные характеристики композиционных материалов.

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. 10.2).

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

I. Дисперсноупрочненные компоненты и композиты, армированные частицами (рис. 10.2. 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. 10.2, 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. 10.2, 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. 10.2. 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. 10.3).

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. 10.4).

Рис. 10.3. Схема одноосного армирования:

а) нуль-мерные наполнители;

б) одномерные наполнители.

Рис. 10.4. 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. 10.5).

Рис. 10.5. Схема трехосного армирования:

а) нульмерные наполнители;

б) одномерные наполнители.

Методы получения композиционных материалов.

Классификация композиционных материалов по методам получения является в определенной степени условной и временной, отражающей современный уровень технологических достижений.

Выделяют следующие процессы получения и обработки композитов:

- Химические (связанные с химическим, электрохимическим и термохимическим осаждением);

- Газо- и парофазные (связанные с конденсацией из газовой и паровой фазы);

- Жидкофазные (связанные с направленной кристаллизацией или пропиткой подготовленных каркасов наполнителя);

- Твердофазные (связанные с порошковой технологией, диффузионным сращиванием);

- Комбинированные (основанные на сочетании вышеперечисленных процессов).

По способу получения (технологический принцип) композиционные материалы подразделяют:

Полимерные: литейные, прессованные и намоточные.

Металлические: литейные, деформируемые (спекание, прессование, штамповка, ковка и т.д.).

Область применения композиционных материалов (по назначению)

Обычно композиционные материалы стараются не классифицировать по применению, так как любая классификация носит условный характер. Тем не менее композиционные материалы подразделяются:

- общеконструкционного назначения – для различного рода несущих конструкций, сосудов высокого давления, предметов широкого потребления и др.;

- термостойкие – для изделий эксплуатируемых в условиях резких теплосмен;

- фрикционные и антифрикционные – подшипники скольжения, шестерни и др.;

- ударопрочные – броня самолетов, танков и т.п.;

- теплозащитные и композиционные материалы со специальными свойствами (электрическими, магнитными, оптическими и др.).