Классификация композиционных материалов

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:

• с нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;В композиционных материалах с нульмерным наполнителем наибольшее распространение получила металлическая матрица.Такие материалы отличаются изотропностью свойств.

с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;

Для армирования композиционных материалов применяют металлическую проволоку из разных металлов: стали разного состава, вольфрама, ниобия, титана, магния – в зависимости от условий работы. Стальная проволока перерабатывается в тканые сетки, которые используются для получения композиционных материалов с ориентацией арматуры в двух направлениях.

Для армирования легких металлов применяются волокна бора, карбида кремния. Особенно ценными свойствами обладают углеродистые волокна, их применяют для армирования металлических, керамических и полимерных композиционных материалов.

· В композиционных материалах с одномерными наполнителями упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон, проволоки, которые скрепляются матрицей в единый монолит. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице. Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров. Армирование сопл ракет из порошков вольфрама и молибдена производят кристаллами сапфира как в виде войлока, так и отдельных волокон, в результате этого удалось удвоить прочность материала при температуре 1650^oС. Армирование пропиточного полимера стеклотекстолитов нитевидными волокнами увеличивает их прочность. Армирование литого металла снижает его хрупкость в конструкциях. Перспективно упрочнение стекла неориентированными нитевидными кристаллами.

• с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

• с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;
• с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
• с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

• композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;
• композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
• композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
• композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.

Эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. В отличие от обычных композиционных материалов, эвтектические получают за одну операцию. Направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых изделиях. Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе алюминия, магния, меди, кобальта, титана, ниобия и других элементов, поэтому они используются в широком интервале температур.

Широкое применение находят смешанные полимерные композиционные материалы, куда входят металлические и полимерные составляющие, которые дополняют друг друга по свойствам. Например, подшипники, работающие в условиях сухого трения, изготовляют из комбинации фторопласта и бронзы, что обеспечивает самосмазываемость и отсутствие ползучести.

Созданы материалы на основе полиэтилена, полистирола с наполнителями в виде асбеста и других волокон, обладающие высокими прочностью и жесткостью.

Распределение частиц по размерам характеризует расположение наполнителя в композиционном материале, т.е. плотность упаковки частиц.

По наполнению композиционные материалы делят на две группы:

1. Наполненные системы – композиции с твердыми, жидкими или газообразными веществами (наполнителями), которые определенным образом распределяются в объеме основного компонента (матрицы) и имеют четко выраженную границу раздела между наполнителем и матрицей. Такие материалы представляют собой частный случай дисперсных систем, где дисперсной (непрерывной) средой является матрица, а дисперсной фазой – наполнитель.

2. Смеси компонентов различной химической природы; к ним также относят полимерполимерные композиции и, условно, блок- и привитые сополимеры. Среднестатистическое расстояние между частицами можно оценить экспериментально для частиц практически любой формы и систем с различным распределением частиц по размерам.

Форма дискретных частиц различного происхождения, используемых в качестве наполнителя в композиционном материале, может быть различной: шарообразной, кубической, пластинчатой, игольчатой, волокнистой, неправильной ит.д. Для большинства наполнителей она не может быть строго охарактеризованной. Поэтому только размеры и площадь поверхности частиц могут служить для оценки их влияния на свойства системы матрица-наполнитель.

Материалы, наполнителями в которых являются непрерывные волокна илисплошные структуры, образуемые ткаными и неткаными полотнами, листамишпона и т.п., обычно называют армированными.

По характеру структуры композиционные материалы подразделяются наследующие группы:

– волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными

кристаллами;

– дисперсноупрочнённые, полученные путём введения в металлическуюматрицу дисперсных частиц упрочнителей;

– слоистые, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов.

Волокнистые композиционные материалы, армированные нитевиднымикристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов(SiC, Al2O3, бор, углерод и др.), являются новым классом материалов. Успешномуих развитию содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью; открытиевесьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов; разработка новых армирующих материалов – высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al2O3, SiCи волокон других неорганических тугоплавких соединений, атакже упрочнителей на основе металлов.

В машиностроительном производстве широкое распространение получиливолокнистые композитные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжение волокнам [17].

Волокнистые композитные материалы, как правило, анизотропны. Механическиесвойства их определяются не только свойствами самих волокон, но и их ориентацией, объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а такжетугоплавких соединений (В4С, SiCи др.) обычно составляет 100…150 мкм.

Волокнистые композитные материалы, в отличие от монолитных сплавов,обладают высокой усталостной прочностью. Так, например, у алюминиевыхсплавов она составляет 130…150 МН/м2, в то время как у армированного борнымволокном алюминиевого композитного материала – около 500 МН/м2. Пределпрочности и модуль упругости композитного материала на основе алюминия, армированного борным волокном, примерно в два раза больше, чем у алюминиевыхсплавов В-95 и АК4-1.