КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ(КМ)
Создание новой современной техники и совершенствование предыдущих технологических разработок вызывает необходимость поиска и создания новых материалов, имеющих конструкционное и функциональное назначение. Новым видом таких материалов, обладающих широким набором эксплуатационных свойств, которые не могут быть достигнуты при использовании традиционных материалов, являются композиционные материалы.
Композиционные материалы КМ (композиты) – многосоставные материалы, обычно состоящие из пластичной матричной основы, с распределенными в ней армирующими волокнами или дисперсными частицами, образующих монолит с четко выраженной границей раздела компонентов.
Компоненты делятся на две фазы:
– наполнитель (или арматура) в виде дискретных частиц или волокон - образует дискретную фазу;
– связующее (матрица) - в виде любого материала, заполняющего пространство между арматурой и образующего сплошную среду (рис.1).
Рис.1. Компоненты композиционных материалов: 1 – наполнитель; 2 – связующее;
Наполнители: а – дискретные частицы; б – волокна, нити, жгуты;
в – ткань; г – листовой материал
Матрица обеспечивает совместную работу дискретных элементов арматуры, объединяя их в монолит, за счет собственной жесткости и адгезии на границе раздела матрица–арматура.
Эта фаза в меньшей степени определяет механические свойства, но оказывает решающее влияние на технологические характеристики, например возможность формообразования и технологические режимы.
Арматура воспринимает основные напряжения, возникающие в композите под воздействием внешних нагрузок, и определяет основные механические характеристики.
Следует отметить, что понятие "наполнитель " является общим и объединяет не только дискретные элементы с высокой прочностью и жесткостью. Под это понятие подходят также включения газов в виде малоразмерных пузырьков в объеме матричного материала. Такое условное армирование обеспечивает не прочность, а другие функциональные характеристики, например, высокие звуко- и теплоизоляционные способности. Композиты следует отличать от смесей и растворов. В первом случае материал не является монолитным, во втором – отсутствует граница раздела между компонентами.
Требования к композиционным материалам
К матрице и наполнителю предъявляются эксплуатационные и технологические
требования
К эксплуатационным относятся требования по механическим, электрическим и теплофизическим свойствам, плотности, стабильности свойств в определенном температурном интервале, химической стойкости и т.п.
К технологическим требования относятся:
· возможность создания высокопроизводительного процесса изготовления изделий;
· совместимость наполнителя с материалом матрицы, т.е. возможность достижения
прочной связи между ними.
С давних времен два или более неоднородных материала использовали вместе, чтобы создать новый материал или же улучшить характеристики одного из них. [
Первое использование этого метода относится к 1500 году до нашей эры, когда в Египте и Месопотамии начали использовать глину и солому для производства кирпичей.
Растительные волокна использовались инками при изготовлении керамики, а строители Англии только недавно перестали добавлять в штукатурку волосы. В Вавилоне для усиления глины при постройке жилищ использовали тростник, а в Древней Греции при строительстве храмов и дворцов мраморные колонны укреплялись прутами из железа.
Сочетание разнообразных веществ приводит к созданию нового материала, чьи свойства заметно отличаются от свойств каждого из его компонентов. Широкий спектр материалов с требуемым набором свойств получают, варьируя состав, количественный состав наполнителей и матрицы, ориентацию наполнителя.
Изменяя количественное содержание компонентов, возможно, исходя из требований, получать композиты с требуемыми значениями прочности, модуля упругости, микротвердости и трещиностойкости, жаропрочности, а также создавать составы с требуемыми диэлектрическими, магнитными, радиопоглощающими и другими специальными характеристиками.
Многие композитные материалы имея меньший вес превосходят обычные сплавы и материалы по своим механическим свойствам. Использование КМ обычно позволяет сохранить или улучшить механические характеристики конструкции при значительном уменьшении ее массы. Влияние малых добавок волокон на значительный прирост прочности и вязкости хрупких материалов, известно с древнейших времен.
Композитные материалы, в настоящее время, представляют большой интерес. Интерес этот вызван, прежде всего, актуальностью разнообразных практических применений и уникальным сочетанием ряда механических и эксплуатационных свойств. Составными веществами композитов могут быть самые разные материалы – керамика, стекла, металлы, углерод, пластмассы и т.п.
Существуют многосоставные полиматричные композиционные материалы, в которых в одном материале сочетают несколько матриц. Кроме того, существуют гибридные КМ - включающие в себя разные наполнители. Наполнителем определяется жесткость, прочность, и деформируемость материала, а матрицей обеспечивается монолитность материала, передача напряжений в наполнителе и устойчивость к различным вариантам внешнего воздействия.