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
(Al² O³)); 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.