Современные композиционные материалы

7.1 Классификация композиционных материалов

Композит, определяется как матрица из одного материала с распределенными в ней заданным образом волокнами или дисперсными частицами другого материала. Такое распределение называют армированием.

По характеру распределения армирующего материала композиты можно разделить на два основных класса:

- композиты с упорядоченным армированием;

- композиты с неупорядоченным армированием.

В первом случае разработчик материала заранее задаётся конфигурацией, т.е. геометрической структурой распределения арматуры в матрице. Во втором случае распределение арматуры носит случайный, хаотический характер.

Композиционные материалы обоих классов можно разделить ещё по типу материалов, используемых в качестве матриц, и армирующих материалов. И те и другие материалы могут быть:

а) полимерами;

б) керамикой;

с) металлами.

На первый взгляд кажется, что создание композиционных материалов достаточно сложно. Ведь изготовление волокон – тонких и тончайших нитей – технологически сложно, вследствие чего неизбежен большой брак при их производстве; обязательны специальные меры для получения упорядоченного распределения и т.д. Возникает вопрос, оправдана ли такая технология и если оправдана, то почему?

Обратим внимание на очень важный факт: когда требуется материал с высокими значениями прочности и жёсткости (эти понятия отражают разные свойства твёрдого тела: прочность характеризует сопротивление разрушению, а жёсткость определяет недеформируемость материала), теплостойкости и устойчивости к химическим воздействиям, используют элементы, расположенные в середине периодической системы, - углерод, алюминий, кремний, кислород, азот. Эти элементы образуют друг с другом соединения с прочными стабильными связями. Типичными представителями таких соединений являются керамические материалы: SiC, Si₃N₄, SiO_2, Al₂O₃. Для них характерен уже известный недостаток – большая хрупкость. Если такой материал изготавливают из мелких частиц или тонких волокон, его прочность значительно повышается. Подтверждением этому может служить оконное стекло – материал очень непрочный, но стеклянная нить, состоящая из тонких волокон, имеет прочность на растяжение 3*10⁹ Па. Для сравнения укажем, обычная сталь имеет прочность только 0,5*10⁹ Па.

Высокая прочность мелких частиц связана с тем, что вероятность W появления в образце дефекта настолько большого, чтобы вызвать хрупкое разрушение, падает с уменьшением размера образца:

W~1/d.

Аналогичный эффект наблюдается и в повышении прочности металлов, и в упрочнении керамики, для чего применяется очень тонкий помол. Кроме того, при разрыве одного волокна дефект не распространяется на другие волокна и нить (жгут) в целом не разрушается, а в однородном материале трещина распространяется вплоть до разрушения всего образца.

Однако простой пучок волокон представляет собой небольшую ценность как конструкционный материал. Для использования максимально возможной прочности волокон их помещают в матрицу, которая играет адгезионную роль – соединяет волокна и к тому же придаёт материалу твёрдую форму.

Нагрузка от матрицы на армирующее волокно передаётся сдвиговыми силами, действующими на его поверхность, которая поэтому должна быть велика по сравнению с площадью сечения волокна, т.е. в одном измерении размер арматуры должен быть много больше, чем в других. Таким образом, волокна-нити – самая выгодная конфигурация арматуры композита для конструкционных применений.

Установлено, что критическое отношение длины волокна l к его диаметру d должно быть примерно

l/d > 100.

Понятно, армирование короткими волокнами и частицами другой формы хуже, чем армирование длинными непрерывными волокнами. При использовании длинных волокон возникает явление синергизма.

Синергетика – это наука, изучающая саморегуляцию в системах с внутренними обратными связями. В случае композита – это влияние волокна на матрицу и матрицы на волокно. При растяжении пучка волокон без матрицы разрыв волокна уменьшает их количество, и удельная нагрузка на оставшиеся волокна увеличивается. Если волокна находятся в упругой или пластичной матрице, то при разрыве волокна его части при растяжении вытаскиваются из матрицы. Упругая деформация матрицы, или её пластическое течение сдавливает разорванные части волокна, и оно ещё в какой-то мере продолжает действовать подобно коротким волокнам.

Таким образом, основная цель построения конструкционного композита, - сохранение прочности волокон в его матрице.

7.2 Принципы выбора материалов матриц и волокон

Одно из требований, предъявляемых к материалу матрицы, вытекает из рассмотренного выше требования её пластичности. Но главным является обеспечение работоспособности в области высоких температур, для которых предназначен композит. Для изготовления композитов, работающих в области Т < 200⁰C, применяют полимерные матрицы. Именно к этой группе относится большинство композитов.

1. Стеклопластик – короткие стеклянные волокна в матрице из полиэфирной смолы. Этот композит применяется для изготовления корпусов автомобилей, лодок, различных бытовых приборов.

2. Термореактивные пластики – полимеры, в которых поперечные связи между цепями образуют молекулярную структуру с жёсткой трёхмерной сеткой. «Сшивка» связей в поперечном направлении обеспечивает более высокую термостойкость. Такими полимерами являются эпоксидные смолы. Но в последнее время стали использовать полимерные смолы, выдерживающие нагрев до 350⁰С.

Для более высоких температур применяются металлические матрицы. При этом разработчикам приходится считаться с большой массой деталей из композита, даже если применять металлы с малой плотностью – алюминий, магний, титан.

Материал, кроме теплостойкости, обладает и прочностью, которая дополняет прочность волокон, а пластичность металла придаёт композиту свойство вязкости. Наконец, для очень высоких температур применяют керамические матрицы. Недостатки керамики – отсутствие пластичности, волокна как раз и тормозят распространение трещин в керамике.

Итак, выбор материала матрицы определяется в первую очередь рабочей температурой композиционного материала.