Композиционные материалы. 
Материаловедение и технология материалов

Принципы создания и основные типы композиционных материалов

Композиционные материалы обладают комплексом свойств, отличающихся от традиционных конструкционных материалов, что и предопределило их успешное применение для совершенствования современных и разработки принципиально новых конструкций. Композиционными называют материалы, состоящие из двух компонентов и более, объединенных различными способами в монолит и сохраняющими при этом индивидуальные особенности.

Для композиционных материалов характерна следующая совокупность признаков:

• • состав, форма и распределение компонентов материала определены заранее;
• • материалы состоят из двух и более компонентов различного химического состава, разделенных в материале фаницей;
• • свойства материала определяются каждым из его компонентов, содержание которых в материале достаточно большое;
• • материал обладает свойствами, отличными от свойств компонентов, взятых в отдельности;
• • материал однороден в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе;
• • материал нс встречается в природе, а является созданием человека.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, является матрицей. Компонент же прерывный, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, а также полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Болес широким понятием, чем армирующий или упрочняющий компонент, является термин «наполнитель», поскольку наполнитель в матрице помимо изменения прочности оказывает влияние и на другие характеристики композиции.

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе компонентов.

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяют на три группы:

• • с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
• • с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит два других;
• • с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превосходят третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

• • с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;
• • с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя в виде волокон, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
• • с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его распределении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

• • композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;
• • композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
• • композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
• • композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).

В названную классификацию не входят полиармированные композиционные материалы, содержащие чередующиеся слои двух или более композиций, с матрицами, отличающимися химическим составом.

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Обычно компоненты для композиционного материала выбирают со свойствами, существенно отличающимися друг от друга.

Композиционные материалы по сравнению с современными конструкционными материалами обнаруживают более высокие удельную жесткость (E/(pg)) и удельную прочность (a_B/(pg)) (рис. 11.1), т. е. жесткость и прочность, отнесенные к единице массы, где р — плотность материала, g — ускорение свободного падения. Фактически удельная плотность представляет собой максимальную длину нити из материала постоянного сечения, которая может висеть вертикально вниз, без обрыва под своим собственным весом. Поэтому обычно для измерения удельных жесткости и прочности используют метры и километры.

11одуль упругости композиционных материалов может изменяться в требуемом направлении в зависимости от схемы армирования.

Высокая надежность в работе конструкций из композиционных материалов связана с особенностями распространения в них трещин. В обычных сплавах трещина развивается быстро, и скорость роста ее в период работы конструкции детали возрастает. В композиционных материалах трещина обычно возникает и развивается в матрице и встречает препятствия на границе «матрица — упрочнитель». Армирующий элемент тормозит ее распространение, задерживая на некоторое время ее рост.

Рис. 11.1. Удельная прочность и удельный модуль упругости алюминия (/), стали и титана (2), стеклопластиков (3), бериллия (4) и некоторых композиционных материалов В композиционных материалах этого типа наибольшее распространение получила металлическая матрица из металла или сплава. Композиции на металлической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсными частицами различной зернистости: от ультрадиспесных с диаметром частицы от 1 нм до грубодисперсных с диаметром частицы более 1 мкм.

Композиционные материалы с равномерным распределением частиц упрочнителя отличаются изотропностью свойств.

Получают композиции, армированные дисперсными частицами, чаще методами порошковой металлургии, включающей следующие этапы:

• • получение порошковой смеси матричного металла и упрочнителя (рассев порошков на фракции, смешивание порошков в смесителях различных систем);
• • прессование порошка в компактную заготовку в стальных матрицах (изостатическое прессование) с последующим спеканием.

На стадиях прессования и последующей деформационной и термической обработки в полуфабрикате формируется оптимальная, устойчивая дислокационная структура. Дисперсные частицы наполнителя способствуют образованию зерен с большой степенью неравноосности (волокнистой структуры) и задерживают протекание рекристаллизационных процессов.

В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы армирующего наполнителя препятствуют развитию пластической деформации, оказывая сопротивление движению как единичных дислокаций, так и дислокационных образований (субграниц, границ зерен). Эффективное упрочнение достигается при содержании 5—10% (об.) частиц упрочняющего вещества.

На уровень прочности композиций оказывают влияние объемное содержание частиц упрочнителя, степень дисперсности и расстояние между частицами. Сопротивление увеличивается с уменьшением расстояния между частицами согласно формуле Орована.

где G — модуль сдвига материала матрицы; b — межатомное расстояние; / — расстояние между частицами упрочнителя.

Армирующими наполнителями чаще служат дисперсные частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов (А1₂0₃, Th0₂, НЮ₂, BN, SiC, Ве₂С и др.). Эти тугоплавкие соединения имеют высокие значения модуля упругости, низкую плотность, значительную инертность в отношении материала матриц. Так, например, модули упругости оксидов ТЮ₂ и АЮ₃ равны 380,5 • 10³ и 146,12 Ю³ МПа, а плотности — 1,0 и 3,97 г/см³ соответственно.

Кроме метода порошковой металлургии существуют и другие технологии получения диснерсионио-упрочненных композиционных материалов. Например, вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава. Улучшения смачивания частиц жидким металлом и равномерного распределения их в матрице достигают в этом случае ультразвуковой обработкой расплава или другими способами. Равномерное распределение упрочняющей фазы по объему композиции чаще все же достигается применением твердофазных методов.