Общие сведения о композиционных материалах

Композиционные материалы – это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), другим – упрочнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродистые материалы. Упрочнителями служат волокна – стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, боридов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При составлении композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т.п.

Содержание упрочнителя в композиционных материалах составляет 20-80% по объему. Свойства матрицы определяют прочность композиционного материала при сжатии и сдвиге. Свойства упрочнителя определяют прочность и жесткость композиционного материала.

Композиционные материалы имеют высокую прочность, жесткость, жаропрочность и термическую стабильность. Так, для карбоволокнитов =650-1700 МПа, а для бороволокнитов =900-1750 МПА. Плотность композиционных материалов 1,35-4,8 г/см³. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей машиностроения.

Карбоволокниты (углепласты) – это композиции из полимерной матрицы и упрочнителей в виде углеродных волокон. Для полимерной матрицы исользуются полиимиды, эпоксидные и фенолформальдегидные смолы. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидов можно применять при температуре до 300°С. Они водо- и химостойки. Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал. Карбоволокниты используют в химической, судостроительной и авиационной промышленности.

При обработке обычных полимерных карбоволокнитов в инертной или восстановительной атмосфере получают графитированные карбоволокниты или карбоволокниты на углеродной матрице. Так, карбоволокнит на углеродной матрице типа КУП-ВМ по прочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит специальные графиты. При нагреве в инертной атмосфере он сохраняет прочность до 2200°С. Карбоволокниты с углеродной матрицей широко применяют при изготовлении химической аппаратуры.

Бороволокниты – это композиции из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон. Для получения бороволокнитов применяют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты имеют высокую прочность при сжатии, сдвиге, высокую твердость, тепло- и электропроводность. Бороволокниты водо- и химостойки. Изделия из бороволокнитов применяют в космической и авиационной технике (лопатки и роторы компрессоров, лопасти винтов вертолетов и т.д.)

Органоволокниты – это композиции из полимерного связующего и упрочнителей из синтетических волокон. Упрочнителями служат эластичные волокна лавсан, капрон, нитрон, и др. Связующими служат полиимиды, эпоксидные и фенолформальдегидные смолы. Органоволокниты имеют малую плотность, сравнительно высокую удельную прочность и высокую ударную вязкость. Органоволокниты применяют в авиационной технике, электропромышленности, химическом машиностроении и др.

Металлы, армированные волокнами – композиционные материалы с металлической матрицей и упрочнителями в виде волокон. Упрочнителями служат волокна бора, углеродные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений, вольфрамовая или стальная проволока. Матричный материал выбирают из учета назначения композиционного материала (коррозионная стойкость, сопротивление окислению и др.) В качестве матриц используют легкие и пластичные металлы (алюминий, магний) и их сплавы. Количество упрочнителя составляет по объему 30-50%. Металлы, армированные волокнами, применяются в авиационной и ракетной технике.

Использование композиционных материалов требует в ряде случаев создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов машин.