» » Классификация композиционных материалов
16.12.2014

В основу классификации композиционных материалов закладываются следующие принципы: конструктивный (в соответствии с геометрией арматуры и ее расположением в матрице), материаловедческий (по материалу арматуры, матрицы и других компонентов; по методу получения изделий из композита) и другие. Однако эти принципы не являются окончательными, они постоянно совершенствуются и дополняются в соответствии с достигнутым уровнем науки и техники.
Наиболее полная классификация композиционных материалов по геометрии армирующих элементов и расположению компонентов (схема армирования) приведена в работах.
По геометрии компонентов композиционные материалы разделены на три основные группы (табл.1).
1. Композиционные материалы с нульмерными компонентами, имеющими все три размера одного и того же порядка. К этой группе принадлежат материалы, упрочненные равномерно распределенными в объеме матрицы гранулами или частицами различной степени дисперсности: от макрочастиц (дроби) до ультрадисперсных частиц.
В макрогетерогенных материалах армирующие частицы, имеющие высокую прочность и твердость, могут играть роль и несущего, и упрочняющего элемента. Матрица служит основой материала, связывает другие элементы, передает и распределяет нагрузку между ними. В дисперсноупрочненных материалах несущим элементом является матрица, в которой с помощью множества ультрадисперсных частиц и однородной дислокационной структуры создается эффективное торможение дислокации вплоть до температуры плавления. Примерами материалов этой группы могут служить металлы и сплавы, армированные частицами или гранулами, дисперсно-упрочненные материалы, материалы на основе керамики, содержащие короткие нитевидные кристаллы и др.
2. Композиционные материалы с одномерными компонентами, один из размеров которых значительно превышает два других и соизмерим с характерным размером элементарного объема. Примерами таких материалов являются изделия, армированные стержнями или проволокой, волокнистые композиционные материалы на основе полимеров, металлов, армированные стекловолокнами, борными, углеродными, керамическими и другими волокнами. Матрица скрепляет арматуру (волокна или другие упрочняющие элементы) в единый монолит, защищает их от повреждений. Матрица также передает нагрузку на армирующие волокна, а в случае разрушения отдельных элементов перераспределяет напряжения.
3. Композиты с двухмерными компонентами, два размера которых значительно превышают третий и соизмеримы с характерными размерами элементарного образца (объема) композиционного материала. Примером материалов этой группы являются армированные квазимонолитные материалы (AKM), биметаллы, различные полиметаллические композиции, например, состоящие из чередующихся слоев титана и алюминия или их сплавов.
В волокнистых и слоистых композициях, в макрогетерогенных композитах, армированных гранулами, сдвиговый механизм торможения трещин, имеющий место в традиционных моносплавах, дополняется торможением трещин самими армирующими элементами на поверхности ослабленного сцепления матрицы с арматурой В этих композициях выбор компонентов обусловлен получением оптимальной степени их взаимодействия с целью согласования высокого предела прочности с повышенной вязкостью разрушения. При этом принято рассматривать поверхность раздела как самостоятельный элемент структуры. Точнее рассматривают прилежащую к поверхности раздела область, в которой протекают процессы растворения, перераспределения примесей, образования и роста новых фаз, и т. д. В этом переходном слое арматура — матрица формируется связь между упрочняющими элементами и матрицей, через которую передаются нагрузки. От совершенства указанной связи зависят условия торможения трещин, т. е. указанный слой определяет уровень свойств макрогетерогенных материалов. В дисперсноупрочненных материалах границы зерен и субзерен также играют большую роль, так как они вносят дополнительный вклад в повышение прочности при низких и высоких температурах
По расположению компонентов (схема армирования) композиционные материалы подразделяются на три группы (табл. 3).
1. Композиции с одноосным (линейным) расположением армирующего элемента, составляющие которого распределяются в матрице параллельно друг другу. Такая схема армирования может быть осуществлена с помощью нульмерных или одномерных компонентов.
2. Композиционные материалы с двухосным (плоскостным) расположением арматуры, составляющие которого в виде волокон, проволок, стержней расположены в матрице в плоскостях, параллельных друг другу. Такая схема армирования может быть реализована с помощью нульмерных, одномерных или двухмерных элементов.
3. Композиционные материалы с трехосным (объемным) расположением компонентов, когда невозможно выделить одно или два преимущественных направления в материале. Такая схема армирования может быть реализована с помощью нульмерных или одномерных компонентов, имеющих хаотичную ориентацию в пространстве (частицами, дискретными или непрерывными волокнами). В этом случае материал является изотропным или квазиизотропным.
Важную информацию дает классификация композиционных материалов по природе компонентов: по материалу матрицы и армирующих элементов. Общее название композита, как правило, происходит от материала матрицы. Материалы с металлической матрицей называют металлическими композиционными материалами, соответственно полимерными или керамическими. Композиционный материал, содержащий два или более различных по составу или природе матричных материала, называется полиматричным. Обычно вначале указывают материал матрицы, затем — арматуры. Например, обозначение медь — вольфрам [Cu—W] относится к композиту с медной матрицей и вольфрамовыми волокнами. Встречаются и другие обозначения, в первой части которых указывается материал волокна, а во второй — матрицы (например, боро-алюминий и т. п.).
Диапазон материалов, используемых для получения композитов, чрезвычайно широк. Отсюда многообразие свойств композиций, изготовленных на основе комбинаций различных композитов.
Композиты на основе полимерной матрицы в зависимости от армирующего компонента представляют собой стеклопластики, «углепластики, боропластики, древеснослоистые пластики и т. д. В качестве связующего используются эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и полиамидные смолы. Полимерные композиты по сравнению с другими материалами отличаются высокой прочностью, жесткостью и плотностью, они технологичны и находят широкое применение в технике. Углеродо-пластики по удельной прочности превосходят алюминий и титан и применяются в авиационной и космической технике для создания легких, прочных и долговечных конструкций. Полимерные композиты не подвержены коррозии, поэтому широко применяются для изготовления различных деталей, конструкций агрегатов химической промышленности.
Керамические композиты создаются на основе нитридов кремния и бора, боросиликатных стекол, углерода и других материалов. Известно, что керамические материалы обладают высокой прочностью, стабильностью при повышенных температурах, низкой плотностью, коррозионной стойкостью, но, с другой стороны, они характеризуются повышенной хрупкостью и чувствительностью к тепловому удару. В композитах за счет армирующих элементов удается повысить ударную вязкость и стойкость изделий к перепадам температур в сочетании с ценными свойствами керамики. В настоящее время наиболее широкое применение нашли композиты типа углерод—углерод, в которых оптимально сочетаются высокая прочность с температуроустойчивостью. Углерод — углеродные композиционные материалы используются для изготовления эрозионностойких сопл реактивных двигателей, дисков авиационных тормозов.
Композиты с металлической матрицей — это монометаллы или сплавы на основе меди, алюминия, магния, титана, армированные различными элементами. Металлическая матрица по сравнению с матрицами из пластика существенно повышает упругость и прочность композита, сохраняя эти свойства почти до своей температуры плавления. Кроме того, металлические композиты обладают высокой работоспособностью в условиях вакуума, облучения, пониженной воспламеняемостью.
В основу классификации по методам получения положены главные технологические приемы, обеспечивающие окончательное формирование композиционного материала. Классификация дает информацию о свойствах материала, а главное, о техническом уровне сложности, аппаратурном оформлении, энергоемкости, капиталоемкости и других характеристиках технологического процесса получения изделий из композита, что иногда играет решающую роль с точки зрения их использования для тех или иных целей. По этой классификации композиты подразделяются на материалы, полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения — напыления и комбинированными методами. К твердофазным методам относятся прессование, штамповка, прокатка, экструзия, ковка, уплотнение взрывом, диффузионная сварка и др.
К жидкофазным методам относятся различные виды литья и пропитки, «мокрая» сборка, а также направленная кристаллизация сплавов. В настоящее время применение литых композиционных материалов еще ограниченно. Так, в США композиты используются, главным образом, для получения литых заготовок деталей аэрокосмической и военной техники, в Японии — деталей автомобилей. Применяются Al — Mg — Ti — Cu-сплавы, упрочненные длинными или короткими волокнами, монокристаллическими усами, отдельными частицами карбида и оксида кремния, оксидов алюминия, алюмосиликатов. Отливки изготовляются литьем с кристаллизацией под давлением, по выплавляемым моделям, в песочные формы и др. Применение литых композитов позволит значительно улучшить эксплуатационные свойства, уменьшить массу деталей, повысить триботехнические и другие характеристики. Виды литых композиционных материалов и области их применения приведены в табл. 1.
Классификация композиционных материалов
Классификация композиционных материалов