К композиционным материалам, или композитам, относят не встречающиеся в природе материалы, которые обладают следующей совокупностью признаков: состоят из двух или более компонентов, различающихся по своему химическому составу или структуре и разделённых выраженной границей; имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов (при этом свойства определяются каждым из компонентов), неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе.
Как правило, материал формируется в процессе изготовления детали.
Композиты можно классифицировать по различным признакам:
· по виду структурных элементов (волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочнённые, псевдосплавы, эвтектические);
· по материалу матрицы (металлическая, полимерная или керамическая);
· по типу ориентации армирующих элементов (хаотично армированные и упорядоченно армированные);
· по назначению (конструкционные, коррозионностойкие, антифрикционные, абляционные, пьезоэлектрические, теплозащитные и т. д.);
· по отраслям применения (аэрокосмос, электроника, автомобиле- и судостроение, стоматология и т. д.).
В настоящее время наиболее широкое использование находят композиты на основе полимерных матриц (стеклопластики, углепластики и др.). Из композиционных материалов на основе металлических матриц перспективны: алюминий, армированный борными или углеродными волокнами; эвтектические композиты на основе никелевых сплавов и др.
1. Физико-технологические основы получения композиционных материалов
Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку: компонент, обладающий непрерывностью по всему объёму, называют матрицей; компонент прерывный, разделённый в объёме композиционного материала, считают армирующим или упрочняющим.
В качестве матриц в композитах могут быть использованы металлы и их сплавы, а также полимеры органического или неорганического происхождения, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и её эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.
Армирующие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокими прочностью, твёрдостью и модулем упругости, превосходящими эти показатели у матрицы.
Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и прочности связи между ними. Обычно компоненты выбирают со свойствами, значительно отличающимися друг от друга. Высокая надёжность 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 детали возрастает. В композиционных материалах трещина обычно возникает и развивается в матрице и, встречая на своем пути армирующий элемент, прекращает свое развитие.
Выбор метода получения композиции из различных сочетаний матрицы и армирующего компонента определяется рядом факторов: размерами, профилем и природой исходных материалов матрицы и упрочнителя; возможностью создания прочной связи на границе раздела «матрица-упрочнитель»; возможностью получения равномерного распределения упрочнителя в матрице; возможностью совмещения процессов получения композита и изготовления из него деталей; экономичностью процесса.
Ниже приведены основы технологии изготовления полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов.
|