Лекция 12 Композиционные материалы.

В настоящее время одним из основных способов получения материалов сзаданными свойствами является создание композиций на основе известных, широко используемых в практике веществ (минеральных вяжущих, полимеров и т.п.)и различных ингредиентов природного и синтетического происхождения. Необходимым требованием к комбинированию различных компонентов является создание нового материала более сложной структуры и с новым комплексом свойств при сохранении индивидуальности каждого компонента.

Среди новых материалов в последнее время большое внимание уделяется композиционным, обладающим уникальными свойствами. Производство композитов в США в 2000–2013 гг. увеличивалось на 35–40 % ежегодно, и сегодня наблюдается аналогичная динамика. Композиционные материалы широко используются в конструкциях корпусов космических кораблей, в конструкциях автомобилей, совре-менных газотурбинных авиационных двигателей типа ПС90-2А, ПД14 и др.

Рис. Примеры КМ

В целом композиционный материал – гетерогенная система, состоящая из двух или более компонентов, взаимодействие которых на границе раздела фаз приводит к образованию межфазного слоя, придающего материалу новые свойства при сохранении индивидуальности каждого компонента.Новое сочетание свойств, при сохранении индивидуальности каждого компонента, возникает в композите за счет межфазных явлений и возникновения граничных или переходных слоев в результате адгезионного взаимодействия.

Механизм образования адгезионного контакта может быть различным. Возможны механические, химические и другие соединения компонентов.Различают несколько типов взаимодействия [17, 19, 172]:

– ориентационное, возникающее при взаимодействии двух полярных групп;

– дисперсионное, возникающее при взаимодействии как полярных, так инеполярных молекул вследствие квантовой природы материи (по законам квантовой механики);

– индукционное (деформационное), реализующееся при взаимодействии

полярной и неполярной молекул.

Водородная связь является особым типом межмолекулярных взаимодействий. Она возникает между двумя электроотрицательными атомами через ионизированный атом Н+. При этом ион водорода валентно связан с одним электроотрицательным атомом (О; F; Сlи т.п.) и одновременно взаимодействует с неподеленной парой другого.

Комбинируя объемное содержание компонентов, можно в зависимости отназначения получать материалы с требуемыми параметрами прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими идругими специальными свойствами.

Свойства композиционных материалов зависят главным образом:

– от размера и площади поверхности частиц наполнителя, их объемной доли

и характера распределения в матрице;

– физико-химических свойств, как матрицы, так и наполнителя;

– прочности связи на границе раздела фаз.

По своему строению композиционные материалы делятся на анизотропные,свойства которых значительно различаются между собой вдоль и поперек материала, и изотропные, свойства которых неизменны.

В композиционных материалах армирующие элементы соединены изотропной полимерной, металлической или другими видами матрицы, которая обеспечивает монолитность материала, фиксирует форму изделия, способствует совместной работе волокон и перераспределяет нагрузку при разрушении части волокон [17]. Общепринято характеризовать современные композиты типом матрицы(Рисунок 1.1.).В зависимости от типа матрицы все многообразие композитов можно разделить на пять групп: полимерные (ПКМ), металлические (МКМ), керамические (ККМ) и углерод-углеродные (УУКМ).

Так как матрица существенно отличается по своим физико-химическим свойствам от наполнителя, при ее твердении, кристаллизации, охлаждении и т.п.на границе раздела фаз возникают остаточные напряжения, что приводит к формированию особой области – межфазного слоя – определяющего модуль упругости, прочность, ударную вязкость и другие свойства композита.

При получении композита, как правило, основные характеристики компонента, являющегося матрицей системы, хорошо известны. Поэтому при созданиикомпозиционных материалов большое внимание уделяют физико-химическимсвойствам наполнителя, химический состав которого является основной его характеристикой, в большинстве случаев определяющей возможности его использования. Особое значение имеет реакционная способность наполнителя, которая зависит не только от его химического состава, но и от его молекулярной структуры.