Композиционный материал

Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов , различающихся по химическому составу ,с четкой границей раздела между ними. Свойства, размеры, форма и распределение компонентов в КМ проектируются заранее и формируются в процессе изготовления. КМ поразделяют на волокнистые, слоистые и упрочненные дисперсными частицами. Компонент, непрерывный в объеме КМ, называют матрицей, прерывистый- армирующим элементом. Роль матрицы- придание формы изделию, защита волокна от окисления и повреждений , передача усилия на волокна. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Механическое поведение  композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы  образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Преимущества композиционных материалов

• высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)
• высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 - 240 ГПа)
• высокая износостойкость
• высокая усталостная прочность
• из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции

Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. 
Слоистые композиционные материалы

К слоистыми композитами относят композиционные материалы, у которых входящие в композицию элементы выполнены в виде слоев. Некоторые слоистые композиты  состоят из одинаковых повторяющихся слоев, другие - составляются из совершенно  разных.  Отдельные слои, входящие в состав композита, могут иметь непрерывную или дискретную (чешуйчатую) структуры и различную пространственную ориентацию. Справедливо считается, что этим композитам присуща высокая изгибная прочность. Но это не единственное их достоинство. Слоистая конструкция  создает исключительно богатые возможности для создания  материалов с  разнообразными сочетаниями технологических, декоративных,  механических, теплофизических, электрических, оптических, химических и др. свойств, в которых -  каждый слой имеет свою специальную функцию или даже несколько функций. 
Отдельные материалы в слоистых композитах объединяются в единое целое в ходе полимеризации, склеивания, пайки или сварки. В технологиях получения слоистых структур используют самые разнообразные технологические процессы: налив, набрызг, осаждение, напыление, спекание, литье под давлением, экструзия, пултрузия, прокатка, намотка, выращивание, вспенивание и т.д.   
Слоистые композиты производятся как в виде плоских листов или панелей, так и в виде изделий сложных геометрических форм. Тонкие слоистые композиционные материалы могут производиться в рулонном виде.

6.1.Волокнистые  композиционные  материалы.

       Композиционные  материалы  с  волокнистым  наполнителем (упрочнителем) по  механизму  армирующего  действия  делят  на  дискретные с l / d ≈ 10…10³ , где  l – длина  волокна, d – диаметр  волокна и  с  непрерывным  волокном, в  которых  l / d → ∞. Дискретные  волокна  располагаются  в  матрице хаотично. Диаметр  волокон 0.1…100  мкм.

       Часто  композит  представляет  собой  слоистую  структуру, в  которой  каждый  слой  армирован  большим  числом  параллельных   непрерывных волокон. Нередко  волокна  сплетаются  в  трёхмерные  структуры.

       Схемы  армирования  волокнистых  композиционных  материалов  представлены  на  рисунке:

       Композиционные  материалы  отличаются  от  обычных  сплавов  более  высокими  значениями σв   и  σ-1 (на  50…100 %), модуля  упругости (E), коэффициента  жесткости (Е / ρ)  и  пониженной  склонностью  трещинообразованию. Применение  композитов  повышает  жесткость  конструкции  при одновременном  снижении  ее  металлоемкости.

       Прочность  композитов (волокнистых) определяется  свойствами  волокон: матрица  должна  перераспределять  напряжения  между  армирующими элементами. Поэтому  прочность  и  модуль  упругости  волокон  должны  быть  значительно  больше, чем  прочность  и  модуль  упругости  матрицы.

       Один  из  примеров  волокнистых  композиционных  материалов — композиционные  материалы  на  основе  алюминия, магния  и  их  сплавы. Для упрочнения  Al , Mg  и  их  сплавов  применяют  борные (σв = 2500…3500 Мпа, Е = 380…420 Гпа) и  углеродные (σв = 1400…3500 Мпа, Е = 160…450 Гпа) волокна, а  также  волокна  из  тугоплавких  соединений (карбидов, нитридов, боридов  и  оксидов). Нередко  используют  в  качестве  волокон  проволоку  из высокопрочных  сталей. Для  армирования  Ti  и  его  сплавов  применяют  молибденовую  проволоку, волокна  сапфира (разновидность  минерала  корунда (Al_² O_³)); отличается  синей  или  голубой  окраской (примеси  Ti , Fe). Драгоценный  камень  1-ого класса. Синтетический  сапфир ― лейкосапфир, карбидыSi, бориды Ti. Свойства  некоторых  волокнистых  композиционных  материалов  приведены  в  таблице.

 Металлические  волокна  используют  и  в  тех  случаях ,  когда  требуются  высокие  тепло  и  электропроводность.

       Перспективными  упрочнителями  для  высокопрочных  и  волокнистых высокомодульных  композитов  являются  нитевидные  кристаллы  из  оксида и  нитрида  Al ,  карбида  и  нитрида  Si ,  карбида  бора  и  др.,  имеющие  σв = 15000…28000  Мпа  и  Е = 400…600 Гп

     Композиты  на  металлической  основе, обладая  высокой  прочностью (σв  и  σ-1 )  и  жаропрочностью,в  то  же  время  малопластичные. Но  волокна в  них  уменьшают  скорость  распространения  трещин, зарождающихся  в  матрице, и  практически  полностью  исключают  внезапное  хрупкое  разрушение.

       Основной  недостаток  композитов  с  одномерным  и  двумерным  армированием  является  низкое  сопротивление  межслойному  сдвигу  и поперечному  обрыву, чего  лишены  материалы  с  объемным  армированием.