Основные свойства и классификация композиционных материалов

Композиционные материалы обладают комплексом свойств, от­личающихся от традиционных конструкционных материалов тем, 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 характерны следующие при­знаки:

- состав, форма и распределение компонентов материала опре­делены заранее;

- материалы состоят из двух компонентов и более различного химического состава и разделены границей;

- свойства материала определяются каждым из составляющих его компонентов;

- материал обладает свойствами, отличными от свойств состав­ляющих его компонентов, взятых в отдельности;

- материал однороден в макромасштабе и неоднороден в микро­масштабе;

- материал не встречается в природе, а является искусственно созданным.

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 органические и не­органические полимеры, 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. Более 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;

- одномерными наполнителями, один из размеров которых зна­чительно превосходит два других;

- двухмерными наполнителями, размеры 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 композиций или более, 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 £/р и удельную прочность σ_в/р.

Модуль 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.

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: микроскопические с диаметром частицы d = 0,01 ÷ 0,1 мкм; мелкие с диаметром частицы d = 1 ÷ 50 мкм.

Композиционные материалы с равномерным распределением частиц упрочнителя различаются 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 с 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 единичных (субграниц, границ) зерен. Эффективное упрочне­ние достигается при содержании 5-10% частиц упрочняющего вещества.

На уровень прочности композиций оказывают влияние объем­ное содержание частиц упрочнителя, степень дисперсности и рас­стояние между частицами.

Армирующими наполнителями, чаще служат дисперсные час­тицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов (АlO₃, ThО₂, HfО₂,BN, SiC, Ве₂С и др.). Эти тугоплавкие соединения име­ют высокие значения модуля упругости, низкую плотность, значительную инертность в отношении материала матриц. Так, модуль упругости оксидов Th0₂ и АlO₃ равен 380,5 • 10³ и 146,12 • 10³ МПа, а плотность — 1,0 и 3,97 г/см соответственно. Кроме метода порошковой металлургии существуют и другие технологии получения дисперсионно-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 достигается применением твердофазных методов.