Многие материалы обладают определенным комплексом свойств. Например, бетон, обладая высокой жесткостью и хрупкостью, отлично работает на сжатие и не работает на растяжение. В этой связи бетонные конструкции давно используют в качестве фундаментов и различных опор. В свою очередь, металлы обладают пластичностью, высокой прочностью и достаточно хорошо работают на растяжение. Поэтому из материала, состоящего из металла и бетона («железобетон») изготавливают конструкции, имеющие достаточную жесткость и одновременно работающие на растяжение (перекрытия, балки, пролеты мостов и др.). Такие материалы, сочетающие в себе свойства, присущие нескольким материалам, обычно называются композиционными материалами (КМ).
Композиционные материалы (КМ) — это материалы, обладающие следующей совокупностью признаков:
1. состоят из двух или более компонентов, различающихся по своему химическому составу и разделенных выраженной границей;
2. имеют новые свойства, отличающиеся от свойств, составляющих эти материалы компонентов;
3. неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе;
4. свойства определяются каждым из компонентов, которые в связи с этим должны содержаться в материале в достаточно большом количестве (больше некоторого критического значения).
Компонент, непрерывный во всем объеме КМ, называется матрицей, а прерывистый, разъединенный в объеме композиции элемент (элементы) называется армирующим элементом (наполнителем).
Композиционные материалы классифицируют по следующим основным признакам: типу матрицы, виду армирующего элемента, особенностям макростроения и методам получения.
Матрица придает изделию из КМ заданную форму и монолитность, обеспечивая передачу и перераспределение нагрузки по объему материала, защищает армирующие элементы от внешних воздействий. Тип матрицы определяет технологические параметры процесса получения композита и его эксплуатационные характеристики (плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление воздействию агрессивных сред и усталостному разрушению).
По типу материала матрицы КМ могут быть:
1. полимерные (термопласты, реактопласты, смеси);
2. металлические (в том числе материалы, получаемые методами порошковой металлургии, и сплавы, состоящие из макронеоднородных фаз);
3. неорганические (неорганические полимеры, минералы, углерод, керамика);
4. комбинированные (полиматричные).
Армирующие или упрочняющие элементы распределены в матрице равномерно. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью, большим модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Армирующие элементы вводят в композиционный материал с целью изменения его свойств (увеличения прочности, жесткости и пластичности; изменения плотности, электрических, теплофизических и других характеристик в различных направлениях и отдельных местах изделия). Армирующий или упрочняющий компонент часто называют «наполнителем». Во многих случаях наполнителями называют элементы, применение которых позволяет достичь не более чем 1,5…2-кратного повышения прочности матрицы. Армирующие элементы (арматура) — высокопрочные усы, волокна, ткани, которые при соответствующем содержании в композиции способствуют повышению прочности материала в 2…10 и более раз по сравнению с прочностью матрицы.
В композиционном материале могут находиться и наполнители, и армирующие элементы.
По геометрии наполнителя (армирующего компонента) КМ подразделяют на три группы:
1. С нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок. К таким наполнителям относят дисперсные (преимущественно порошковые) наполнители (сажа, песок, мелкодисперсные металлы, фосфаты, стеклянные и кремнеземные микросферы и т. д.).
2. С одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит дна других. Одномерные наполнители — это волокнистые и армирующие элементы. К ним относятся природные коротковолокнистые (асбест), растительные (сизаль, джут), высокомодульные нитевидные (оксид и нитрид алюминия, оксид бериллия, карбид бора, нитрид кремния) кристаллы, а также длинномерные стеклянные, углеродные, базальтовые, борные, керамические, металлические, низко- и высокомодульные органические волокна.
3. С двухмерными наполнителями, размеры которых значительно превосходят третий. К двухмерным наполнителям относят ленточные, тканевые (состоящие из любых видов волокон и их сочетаний), сеточные и другие армирующие элементы.
По схеме расположения наполнителей выделяют три группы КМ (рис. 1):
1. с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу (рис. 1, а);
2. с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя в виде волокон, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях (рис. 1, б);
3. с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его распределении (рис. 1, в).
