Определение композитов. Классификация

Из множества вариантов определений композиционных материалов, данных в литературе, приведем наиболее лаконичное.

Композиты – это материалы, состоящие из химически или физически разнородных компонентов, образующих монолит с четко выраженной границей раздела компонентов.

Компоненты делятся на две группы (фазы):

– наполнитель (или арматура) в виде дискретных частиц или волокон - образует дискретную фазу;

– связующее (матрица) - в виде любого материала, заполняющего пространство между арматурой и образующего сплошную среду (рис.1.1).

Рис.1.1. Компоненты композиционных материалов:

1 – наполнитель; 2 – связующее; а – дискретные частицы;

б – волокна, нити, жгуты; в – ткань; г – листовой материал

Арматуравоспринимает основные напряжения, возникающие в композите под воздействием внешних нагрузок, и определяет основные механические характеристики.

Матрица обеспечивает совместную работу дискретных элементов арматуры, объединяя их в монолит, за счет собственной жесткости и адгезии на границе раздела матрица–арматура. Эта фаза в меньшей степени определяет механические свойства, но оказывает решающее влияние на технологические характеристики, например возможность формообразования и технологические режимы.

Следует отметить, что понятие "наполнитель" является общим и объединяет не только дискретные элементы с высокой прочностью и жесткостью. Под это понятие подходят также включения газов в виде малоразмерных пузырьков в объеме матричного материала. Такое условное армирование обеспечивает не прочность, а другие функциональные характеристики, например, высокие звуко- и теплоизоляционные способности. Композиты следует отличать от смесей и растворов. В первом случае материал не является монолитным, во втором – отсутствует граница раздела между компонентами.

Композиционные материалы классифицируются по двум признакам – материаловедческому и конструкционному.

Классификация по материаловедческому признаку учитывает природу матрицы и наполнителя (табл.1.1).

Таблица 1.1

В технической литературе композиты разделяются на классы. Каждый класс получил название по типу матрицы: КМ с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической матрицей – металлическими (МКМ), с керамической – керамическими композиционными материалами (ККМ).

Первый класс композиционных материалов - ПКМ наиболее распространен в технике. Основой матрицы у них служат различные полимерные смолы.

Под индексом ПР в табл.1.1 обозначены композиты, состоящие из полимерной матрицы и арматуры минерального происхождения. В основном это волокна: углеродные (графитовые), стеклянные, базальтовые, асбестовые.

К группе под индексом ПО относятся полимерные КМ с наполнителем органической природы. Арматура представлена в виде ароматических полиамидов (арамидов). Кроме того, в материалах, которые не используются при производстве ЛА как конструкционные, применяют бумагу, органические чешуйки, древесную стружку (древесностружечные нити – ДСП), хлопчатобумажную нить (древесноволокнистые плиты – ДВП) и т.п.

Сочетание полимерной матрицы с металлической арматурой обозначено – ПМ. В качестве наполнителя чаще всего применяются волокна бора и реже – других металлов, например алюминия.

По применению композитов с керамическим наполнителем в полимерной матрице (группа ПК) при производстве ЛА сведений не имеется. Название КМ с полимерной матрицей формируется из названия типа арматуры с добавлением слова "пластик". Например: стеклопластик, боропластик, углепластик, органопластик и т.п.

Второй класс композитов имеет металлическую матрицу: из легких металлов – алюминий, магний и тяжелых – стальные и никелевые сплавы. Номенклатура и объем использования металлокомпозитов существенно меньше, чем полимерных.

На сегодняшний день в качестве арматуры находят применение: в группе МР (с минеральной арматурой) – угольные волокна в сочетании с алюминиевой матрицей, с органическим наполнителем (группа МО) материалы не встречаются. Группа ММ (матрица и арматура из металлов) представлена в промышленности, в основном, бороалюминием, то есть сочетанием алюминиевой матрицы с борным волокном.

Группа МК (с керамическим наполнителем) мало известна.

В третьем классе в качестве матрицы используются различные типы керамики.

О материалах, входящих в группы КР, КО, КК сведения весьма ограничены. В основном, они находятся в стадии разработки и исследования свойств.

В группе КМ в качестве армирующего наполнителя используются различные металлические порошки. Такие материалы получили название керметов.

В четвертой строке таблицы располагаются композиты с матрицей, не относящейся к полимерам, металлам и керамике. Наиболее известной композицией здесь является углерод-углеродная (УУКМ). Арматура в ней представлена углеродными стержнями или нитями. Матрица также углеродная, но со значительно меньшей прочностью.

Классификация по конструктивному признаку представлена на рис.1.2.

К первой группе относятся композиты с арматурой в виде дискретных частиц. Здесь можно выделить две подгруппы: КМ, армированные твердыми частицами и газонаполненные. В качестве твердых частиц используются порошки, чешуйки, рубленые волокна, микросфера.

Композиты с полимерной матрицей и дискретным наполнителем получили название "наполненные пластмассы".

Эффективным дисперсным наполнителем является микросфера, представляющая собой шарики малого диаметра (d = 0,05-0,2 мм) пустотелые внутри и выполненные, чаще всего, из стекла.

Ко второй подгруппе относятся материалы, наполнителем в которых являются мелкие пузырьки газа. В зависимости от типа матрицы они получили соответствующее название: пенопласты (полимерная матрица), пенометаллы, пенокерамика, пенорезина и т.п. Если пузырьки газа соединяются между собой, то в названии материалов словосочетание "пено" заменяют на "поро", например, "поропласты".

Вторая группа КМ характеризуется тем, что арматура имеет волокнистую структуру. Этот тип КМ можно разделить на четыре подгруппы: однонаправленные композиты, тканые слоистые, волокнистые объемного плетения, нетканые.

Однонаправленная арматура может быть: в виде первичной нити (полученной сразу после изготовления); филаментной (крученой) нити; ровинга, состоящего из прядей комплексных нитей; ленты-нитей, соединенных между собой в поперечном направлении через определенное расстояние и образующих вытянутую плоскую поверхность; жгута – полученного переплетением нитей с образованием сечения, близкого к окружности.

Вторая подгруппа включает КМ, состоящие из слоев ткани, объединенных матрицей. Армирующий наполнитель отличается типом переплетения и толщиной нитей.

Третья подгруппа характеризуется арматурой, представляющей собой объемное переплетение нитей или стержней. Пространственное переплетение может быть организовано различным количеством нитей – от 3 до 11. Архитектурные решения по созданию пространственных армирующих конфигураций приведены в книгах [20, 41].

Четвертая подгруппа содержит материалы с наполнителем нетканого типа. Нетканые материалы (Fliss-stoffe - "ворсовая ткань") представляют собой хаотически армированные структуры, в которых штапельные волокна соединены одним из трех способов – склеивание, спутывание с образованием фрикционного взаимодействия, прошивка полотна текстильной нитью.

В третью группу выделены материалы с наполнителем листового типа:

АЛОРы и СИАЛы – сочетание попеременно соединенных между собой слоев тонколистового металла со слоями ткани (органо- или стекло-), пропитанной связующим. Название АЛОР произошло от первых букв слов – алюминий, органопластик. Англоязычное название этого материала – ARALL – Aramid Reinborud Aluminium Laminate. Первые образцы состояли из высокопрочного алюминиевого сплава толщиной d = 0,1-0,3 мм, между которыми была расположена ткань из арамидных волокон Kevlar-49.

СИАЛы состоят из тонких (0,25-0,6 мм) алюминиевых листов и промежуточных слоев стеклопластика толщиной 0,2-0,4 мм. В Западной Европе и США такие материалы идут под названием GLARE.

Гетинаксы – в качестве наполнителя служат слои бумаги, связующего – полимерные смолы.

Фанера – сочетание тонких листов древесины (шпона), уложенного в разных направлениях со слоями связующего.

Вид арматуры и форма укладки в значительной степени определяют технологию изготовления изделий из КМ:

– для дисперсно-наполненных композитов используют методы прессования в пресс-камерах и литьевых машинах;

– изделия из волокнистых материалов получаются, чаще всего, нанесением их на формозадающие оправки;

– листовые КМ перерабатываются методами, заимствованными из техпроцессов обработки металлических деталей – штамповка, обработка резанием и т.д.