КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В зависимости от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности.
Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества практически не растворяющихся в ней частиц второй фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации.
В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокон.
Классификация композитов может осуществляться по разным признакам.
1. По природе компонентов (обычно материала матрицы) композиционные материалы делят на металлические, полимерные, жидкокристаллические, керамические, другие неорганические материалы (углерод, оксиды, бориды и др.). Обычно композиты получают общее название по материалу матрицы.
2. По структуре композита их классифицируют на каркасные, матричные, слоистые, комбинированные.
К композитам с каркасной структурой относят, например, псевдосплавы, полученные методом пропитки. К композитам с матричной структурой - дисперсно-упрочненные и волокнистые композиты, а со слоистой структурой - композиты, составленные из чередующихся слоев фольги или листов материалов различной природы или состава. К композиционным материалам с комбинированной структурой относят композиты, включающие комбинации первых трех групп (например, псевдосплавы, каркас которых упрочнен дисперсными включениями - каркасно-матричная структура и др.).
3. По геометрии армирующих компонентов (наполнителя) композиты подразделяют на порошковые и гранулированные (армированы частицами), на волокнистые (армированы волокнами, нитевидными кристаллами), которые в свою очередь делятся на непрерывные и дискретные, слоистые (армированы пленками, пластинами, слоистыми наполнителями).
Свойства композиционного материала зависят от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя. По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 1.): нульмерные, одномерные, двумерные.
Рис. 1. Формы наполнителей: а - нульмерные; б - одномерные; в - двумерные; l1, l2, l3 - размеры наполнителя; L - толщина матрицы
4. По расположению компонентов (схема армирования, рис. 2) композиты классифицируют на: изотропные или квазиизотропные (порошковые, дисперсно-упрочненные, хаотично армированные дисперсными частицами, дискретными или непрерывными волокнами и др.), анизотропные (волокнистые, слоистые с определенной ориентацией армирующих элементов относительно матрицы).
Рис. 2. Схемы армирования композиционных материалов:
а - хаотически армированные: 1 - короткие волокна; 2 - непрерывные волокна;
б - одномерноармированные: 1 - однонаправленные непрерывные; 2 - однонаправленные короткие;
в - двумерноармированные: 1 - непрерывные нити; 2 -- ткани; г - пространственно армированные:
1 - три семейства нитей; 2 - п семейств нитей
Изотропные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях, анизотропные - разные. К числу изотропных композитов относятся псевдосплавы и хаотично армированные материалы. Упрочнение хаотично армированных композитов осуществляется короткими (дискретными) частицами игольчатой формы, ориентированными в пространстве случайным образом. В качестве таких частиц используют отрезки волокон или нитевидные кристаллы, при этом композиты получаются квазиизотропными, т.е. анизотропными в микрообъемах, ноизотропными в макрообъеме всего изделия.
Часто композит представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Однако каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань определенного рисунка (рис.2), которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую исходному материалу. Разработанные к настоящему времени геометрии армирования позволили отказаться от послойной сборки материала. Волокна сплетают в трехмерные структуры (рис.2). В некоторых случаях уже на этой стадии можно задать форму изделию из композита. Выбор среди возможных типов способа армирования осуществляется на основе экономических соображений и требований, предъявляемых к работе изделий.
5. По количеству компонентов композиционные материалы делят на полиматричные, с использованием в одном материале несколько матриц, и гибридные (полиармированные), с применением наполнители различной природы.
Композиты, которые содержат два или более различных по составу или природе типа армирующих элементов, называются полиармированными или гибридными. Гибридные композиты могут быть простыми, если армирующие элементы имеют различную природу, но одинаковую геометрию (например, стеклоуглепластик - полимер, армированный стеклянными и углеродными волокнами), и комбинированными, если элементы имеют и различную природу, и различную геометрию (например, бороалюминий с прослойками из титановой фольги.
6. По методу получения композиты классифицируют на искусственные и естественные. К искусственным относят все композиты, полученные в результате искусственного введения армирующей фазы в матрицу, к естественным - сплавы эвтектического и близкого к ним состава. В эвтектических композитах армирующей фазой являются ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образованные естественным путем в процессе направленной кристаллизации.
По мере создания новых композитов «старые» виды классификации расширяются и могут возникать новые.