Теоретические основы композиционных материалов (КМ)

Классификация композиционных материалов.

Композиционные материалы являются гетерогенными системами и могут быть разделены на 3 основных класса:

1. Композиция, состоящая из непрерывной фазы(матрицы) и дисперсной фазы (дискретных частиц);

2.  Композиция с волокнистыми наполнителями;

3. Композиции, имеющие взаимопроникающую структуру двух или более непрерывных фаз.

Преимущества гетерогенных полимерных композиций по сравнению с гомогенными полимерами:

- повышенная жесткость, прочность, стабильность размеров;

- повышенная теплостойкость;

- повышенная работа разрушения и ударная прочность;

- пониженная газо- и паропроницаемость;

- регулируемые электрические свойства;

- пониженная стоимость.

По механизму упрочнения:

1. В основу упрочнения композитов первой группы положен принцип армирования (Армирование — неотъемлемая часть конструкции, материал которой предусматривает переход из жидкого состояния в твёрдое. Этот процесс называют схватыванием или твердением.) матрицы высокопрочными, несущими нагрузку элементами (железобетон, стеклопластик);

2. Ко второй группе относятся дисперсно-упрочненные материалы. Ведущую роль в них играет структурный фактор. Роль упрочняющей фазы сводится к облегчению формирования субструктуры в процессе получения композита.

Название композитов отвечает природе волокон: стекло-, угле-, органо-, борпластики- и др. Для гибридных вариантов – стеклоуглепластики, Органоборопластики.  

Компоненты должны взаимодействовать на границе раздела композита, проявляя только положительные новые свойства.

Классификация композиционных материалов:

По природе компонентов:

- металлические;

- полимерные;

 - жидкокристаллические;

- керамические;

 - неорганические материалы.

По структуре композита:

- каркасная;

 - матричная;

- слоистая;

 - комбинированная.

По геометрии армирующих компонентов:

 - порошковые и гранулированные;

 - волокнистые;

 - слоистые.

 По расположению компонентов:

- изотропные или квазиизотропные (порошковые, дисперсно-упрочненные, хаотично армированные дисперсными частицами, дискретными или непрерывными волокнами) – одинаковые свойстваво всех направлениях;

 - анизотропные (волокнистые, слоистые с определенной ориентацией армирующих элементов относительно матрицы) – разные свойства.

По методу получения:

- искусственные;

 - естественные.

Теоретические основы композиционных материалов (КМ)

При конструировании КМ важно:

- определить требуемые свойства композита и наиболее подходящие материалы для их реализации;

 - обратить внимание на физическую, химическую, механическую совместимости компонентов. Например, они должны одинаково или пропорционально деформироваться;

 - соблюдать определенную геометрию расположения компонентов композита (более прочная составляющая должна иметь вытянутую форму, например, волокна, ленты, фольги, а менее прочная составляющая должна ее окружать);

 -  выбрать наиболее эффективную и экономичную технологию изготовления композита.

Выбор геометрии армирования и наиболее эффективного технологического метода соединения компонентов композита друг с другом. Основная сложность заключается не в сборке отдельных компонентов композита, а в образовании между ними прочного соединения.

Межфазное взаимодействие оказывает влияние на прочность связи компонентов, возможность химических реакций на границе и образование новых фаз, формируя такие характеристики композита, как термостойкость, устойчивость к действию агрессивных сред, прочность и другие важные эксплуатационные характеристики нового материала. Межфазное взаимодействие оказывает непосредственное влияние на формирование сильных или слабых связей между компонентами композита, что определяет его прочность, вязкость разрушения, термостойкость.

При создании КМ руководствуются условиями совместимости компонентов и стабильности поверхности раздела.

Принципы создания волокнистых ПКМ.

  При создании ПКМ принципиально-важным является взаимодействие и взаимовлияние компонентов в элементарном объеме волокно-матрица. Чем выше свойства КМ, тем сложнее комплекс требований при выборе исходных компонентов.

 - определение соотношение между механическими свойствами армирующих волокон и матрицы;

 - модуль упругости при растяжении и сдвиге волокон должен быть больше, чем соответствующий модуль связующего Ев > Ем, Gв> Gм(индексы «в» - волокно и «м»  - матрица);

 - прочность волокон должна быть больше, чем связующего Sв> Sм; удлинение при разрыве волокон должно быть несколько меньше, чем связующего е_в < е_м ;

 - коэффициент Пуассона для волокон и матрицы желательно иметь достаточно близким, чтобы при деформации композита на границе волокно-матрица не возникало напряжений, отрывающих их друг от друга и тем самым снижающих адгезию (прилипание);

 - термические характеристики волокон (температура плавления или разложения) должны быть выше температур переработки термопластов и отверждения реактопластов.

            Взаимодействие волокон с матрицей должно обеспечивать высокую реализацию механических свойств волокон в армированном материале и его монолитность (неразрывность):

 - хорошая смачиваемость волокон матрицей (связующим);

- высокая адгезия между волокнами и матрицей, характеризуемая сдвигово2й прочностью на границе раздела волокно-матрица;

 - отсутствие или минимальное изменение свойств волокон под влиянием компонентов матрицы;

- релаксация внутренних напряжений в элементарном объеме волокно-матрица при теромообработке или под влиянием компонентов связующего.