Композиционные материалы

Композиционные материалы

Композиционные материалы (КМ) или композиты – многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.

Целью создания композиционного материала является объединение схожих или различных компонентов для получения материала с новыми заданными свойствами и характеристиками, отличными от свойств и характеристик исходных компонентов.

Большинство свойств полученных КМ оказывается более высокими, нежели свойства исходных компонентов. С появлением такого рода материалов возникла возможность селективного выбора свойств КМ, необходимых для нужд каждой конкретной области применения. КМ, оказавшиеся и экономичными, и удобными в проектировании, сегодня используются везде – от производства игрушек и теннисных ракеток до применения в космических аппаратах (теплоизоляция, микросхемы и др.).

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) первого поколения – это изотропные материалы, наполненные дисперсными частицами, имеющие более высокий, чем исходный полимер, уровень свойств. Материалы второго поколения – анизотропные гетерофазные композиции на основе непрерывных армирующих высокопрочных высокомодульных волокон и термореактивных или термопластичных матриц. Интеллектуализация таких материалов – переход к ПКМ третьего поколения. Модификация структуры материалов специальными компонентами, разработанными на основе достижений микро- и нанотехнологий, превращает ПКМ в самодиагностирующиеся и адаптирующиеся к внешним воздействиям интеллектуальные ПКМ.

Композиционные материалы

Существуют различные принципы классификации композиционных материалов. В частности, в зависимости от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые композиционные материалы. Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества практически не растворяющихся в ней частиц второй фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации. Волокнистые композиционные материалы – это композиты, где в качестве наполнителя используются различные волокна. Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластичной матрице (содержание их может достигать 75 %). В дисперсно-упрочненных материалах оптимальным содержанием дисперсной фазы считается от 2 до 4 %. Дисперсные частицы в отличие от волокон создают только «косвенное» упрочнение.

В волокнистых композиционных материалах волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композите при действии внешних нагрузок, и обеспечивают прочность и жесткость композиции в направлении ориентации волокон. Матрица, заполняющая межволокнистое пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица-волокно. Механические свойства волокнистого композиционного материала определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-волокно. Волокнистые композиционные материалы могут быть изотропными и анизотропными в зависимости от ориентации волокон. Матрица изотропна в том смысле, что ее свойства одинаковы во всех направлениях. Если волокна расположены хаотически, то прочностные и упругие свойства композиционного материала также изотропны в плоскости материала [1].

По объёму использования, волокнистые наполнители для композиционных материалов занимают второе место после дисперсионных. Впервые волокнистые композиционные материалы были получены в начале двадцатого века и представляли собой фенопласты с хлопковыми волокнами. Обычно распространённое название полимерных композитов соответствует природе волокон – стекло-, угле-, органо-, боропластики или для гибридных вариантов – стеклоуглепластики, органоборопластики и так далее.

Стеклопластики – композиты, армированные стеклянными волокнами. Стекловолокно получают вытяжкой из однородной стекловидной массы, которая представляет собой сплав диоксида кремния с оксидами различных металлов. Стеклопластики довольно дешёвые материалы и широко используются в радиоэлектронике, строительстве, судостроении и так далее.

Углепластики – композиционные материалы, где в качестве наполнителя выступают углеродные волокна. Сырьём для получения углеродных волокон служат волокна из полиакрилнитрила, гидратцеллюлозы и некоторые виды промежуточных продуктов переработки нефти и каменного угля. Углеродные волокна обладают специфическими свойствами – высокой прочностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Углепластик очень лёгкий и прочный материал, его используют в ракетостроении, авиации, машиностроении, производстве медицинской техники и так далее.

Боропластики – композиты, содержащие борные волокна, в качестве наполнителя. Борное волокно впервые было получено в середине 60-ых годов ХХ-го века в лабораторных условиях. В настоящее время его получают осаждением бора из газообразной фазы на тонкую вольфрамовую подложку, но высокая стоимость остаётся главным препятствием для применения борного волокна. Его применяют в основном в авиационной и космической технике, для производства деталей, подвергающихся длительным нагрузкам в агрессивной среде.

Органопластики – композиционные материалы, где наполнителем служат органические синтетические или природные волокна. Широко применяются в авиационной и космической технике, радиоэлектронике, машиностроении.