Общие сведения о композиционных материалах

     1)  Волокнистые композиционные материалы

     Особенность волокнистой композиционной структуры  заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластичной матрице (содержание их может достигать 75%). В волокнистых композиционных материалах волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композите при действии внешних нагрузок, и обеспечивают прочность и жесткость композиции в направлении ориентации волокон. Матрица, заполняющая межволокнистое пространство, обеспечивает совместную работу отдельных

волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрицы - волокно. Механические свойства волокнистого композиционного материала определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-волокно.⁴ В таблице 1 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.

     Таблица1 - Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

     Композиционные  материалы на металлической основе обладают высокой прочностью (σВ, σ-1) и жаропрочностью, в то же время  они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение.

     К волокнистым композиционным материалам, наиболее широко применяемым в технике, можно отнести: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных и термопластичных связующих, металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, композиционные материалы на основе углерода, композиционные материалы на основе керамики.

     2) Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы

     К дисперсно-упрочненным относят композиционные спеченные материалы, содержащие искусственно вводимые высокодисперсные, равномерно распределенные частицы фаз, не взаимодействующих активно с матрицей и не растворяющихся в ней до температуры плавления. В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.⁵

     Дисперсно-упрочнённые  композиционные материалы изготавливают  методом порошковой металлургии. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок). Технология формирования изделий включает несколько последовательных операций. Порошковую смесь, полученную различными способами, вначале формуют при комнатной температуре, используя прессование, а затем спекают. Окончательно готовый полуфабрикат в виде лент, профилей, полос, прутков, листов, проволоки и поковок получают методом горячего пластического деформирования. При необходимости проводят термическую обработку заготовок с целью устранения текстуры и повышения пластичности, жаропрочности и других эксплуатационных характеристик композиционного материала.

     Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы, так же как  волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре. Композиционные материалы применяются в авиации, в космической технике, в горной промышленности, в гражданском строительстве и в других областях народного хозяйства.

     2.2 Композиционные материалы с неметаллической матрицей

     Композиционные  материалы с неметаллической  матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

     Свойства  композиционных материалов зависят  от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и  прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала.

     Для работы материала в изделии важно  учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

     По  виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты, бороволокниты и органоволокниты.

     1) Стекловолокниты

     Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно.

     Обладают исключительно высокой удельной прочностью (прочность, отнесенная к удельному весу) и жесткостью, хорошо противостоят вибрационным и знакопеременным нагрузкам. Они отличаются хорошими диэлектрическими и теплоизоляционными свойствами, которые сочетаются с высокой стойкостью к различным химическим реагентам, к воздействию микроорганизмов и коррозии. Свойства стекловолокнитов во многом зависят от применяемого наполнителя. Использование щелочных (известково-натриевых) стекол для производства стеклянного волокна дает возможность получать материалы с высокой кислотостойкостью. Стекловолокниты могут работать при температурах от –60 до 200 °С, а также в тропических условиях.

     2) Карбоволокниты

     Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

     Высокая энергия связи углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких температурах, а также при низких температурах. В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. ⁶

     Карбоволокниты  отличаются высоким статистическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре. Они водо- и химически стойкие.

     3) Бороволокниты

     Представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон. Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью.

     Помимо  непрерывного борного волокна применяют  комплексные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала.

     Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями  усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

     4) Органоволокниты

     Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии нагрузок и резкой смене температуры. Они малочувствительны к повреждениям. Структура материала бездефектна. Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая (400-700 кДж/мІ). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

     Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая.

   В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью. 

3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

   Диапазон  применения  композиционных  материалов (композитов) чрезвычайно  широк: от  деталей  бытовой техники  до  конструкций  современных  авиалайнеров (рисунок 3) и  космических  кораблей (рисунок 4). Они находят всё большее применение  в атомной энергетике, машиностроении  и  судостроении.

   Рисунок 3 – Современный авиалайнер 

   Рисунок 4 – Космический корабль

   Они применяются в авиации для  высоконагруженных деталей самолетов и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.

   Применение  композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

   Композиционные  материалы с металлической матрицей, а именно волокнистые композиты используют большей частью для изготовления деталей простой формы (пластин, колец и т. п.). Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом.

   Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной  и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.).