Композиционные материалы. Композиционными материалами, или композитами, называют материалы, состоящие из сильно различающихся по свойствам друг от друга

Композиционными материалами, или композитами, называют материалы, состоящие из сильно различающихся по свойствам друг от друга, взаимно нерастворимых компонентов.

Традиционно применяемые сплавы в известной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Эту задачу можно осуществить путем создания композиционных материалов.

Создание сложных композиционных материалов относится к древним временам, к началу развития человеческой цивилизации. Общепризнанно, что техническое развитие древнего мира определялось двумя жизненно важными условиями: наличием необходимых материалов и возможностью обмена информацией. Отсутствие одного из этих условий практически приводило к прекращению развития общества.

Первые, высушенные на солнце, кирпичи и гончарные изделия, появившиеся за 5000 лет до н. э., уже были сложными композиционными материалами. Для их изготовления в глину часто добавляли измельченные камни или материалы органического происхождения, чтобы уменьшить усадку и растрескивание при обжиге. Первые армированные материалы на полимерной основе использовались вавилонянами в период от 4000 до 2000 лет до н. э. Это были строительные материалы на основе армированной битумной смолы. Имеются сведения, что монгольские луки изготавливались из большого количества различных материалов, в том числе из сухожилий животных, древесины и шелка, соединенных с помощью клея. Стволы дамасских пушек и японские церемониальные мечи также изготавливались из композиционных материалов. Характерным примером могут служить датские телеги последнего столетия до н. э., в которых использовалась довольно сложная комбинация из дерева и бронзы в качестве подшипников скольжения.

Таким образом, начало технологии композиционных материалов уходит в античные времена. Это в первую очередь технология полимерных композиционных материалов, являющихся наиболее древними из всех. Если при этом учесть такие композиционные материалы, как дерево, кость и т. п., то не будет преувеличением сказать, что развитие современной техники и технологии было бы невозможным без композиционных материалов.

Композиционные материалы состоят из сравнительно пластичного матричного материала и более твердых и прочных веществ, являющихся упрочняющими наполнителями. Матрица связывает композицию и придает ей нужную форму. В зависимости от материала матрицы различают композиционные материалы с металлической матрицей или металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной – полимерные композиционные материалы (ПКМ) и с керамической – керамические композиционные материалы (ККМ). По типу упрочняющих наполнителей композиционные материалы подразделяют на дисперсно-упрочненные, армированные (волокнистые) и слоистые (рис. 17.6). В дисперсно-упрочненные композиционные материалы искусственно вводят мельчайшие равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и другие, не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояния между ними, тем прочнее композиционный материал.
В дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным несущим элементом.

Арматурой в армированных композиционных материалах могут быть волокна различной формы (нити, ленты, сетки разного плетения). Прочность таких композиционных материалов определяется прочностью армирующих волокон, которые воспринимают основную нагрузку. Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.

Рис. 17.6. Схема строения композиционных материалов:

а – дисперсно-упрочненные; б – волокнистые; в – слоистые

Слоистые композиционные материалы набираются из чередующихся слоев волокон и листов матричного материала (типа «сэндвич»). Слои волокон в таком композиционном материале могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев матрицы из сплавов с различными механическими свойствами.

Из освоенных промышленностью композиционных материалов ведущее место занимают металлические композиционные материалы на основе алюминия и его сплавов. Использование алюминия в качестве матричного материала обусловлено широким распространением его в технике, низкой плотностью, коррозионной стойкостью, возможностью регулировать механические свойства алюминиевых сплавов термической обработкой и подвергать их различным видам обработки давлением и литья.