Классификация композитов

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ КОМПОНЕНТЫ

Общие понятия и определения

       Композиционный материал (КМ) – многофазный однородный анизотропный материал регулярной структуры с четко выраженной границей раздела фаз.

       Наполнитель, армирующий элемент – составная часть композита нитяной, жгутовой, проволочной, ленточной или тканевой структуры с известными физико-механическими характеристиками материалов.

       Матрица – составная часть композита, обеспечивающая его монолитность и совместную работу всех моноволокн наполнителя.

       Связующее – смола, раствор, газ, порошок, расплав, образующие матрицу в процессе изготовления композита.

       Препрег – полуфабрикат, представляющий собой волокнистый наполнитель, пропитанный связующим в определенном весовом соотношении.

       Отверждение – процесс затвердевания связующего при изготовлении композита в результате реакции полимеризации, поликонденсации, перехода из жидкой фазы в твердую, а также кристаллизации.

       Реактопласт – композит, имеющий полимерную матрицу с пространственно сшитой молекулярной структурой, который отверждается при нагреве

Термопласт – композит, имеющий наиболее простую линейную молекулярную структуру, который отверждается при охлаждении.

Получение КМ с заданными физико-механическими характеристиками имеет ряд особенностей.

1. Свойство КМ формируются в процессе производства конкретной конструкции.

2. Процесс проектирования изделия начинается с конструирования самого материала – выбора его компонентов и назначения оптимальных режимов производства.

3. Без учета особенностей технологии производства нельзя правильно назначить требования к КМ (как к конструкционному материалу) и тем более к самой конструкции.

4. Главная особенность создания конструкций из КМ, в отличие от традиционных конструкций, заключается в том, что конструирование материала, разработка технологического процесса изготовления и проектирование самой конструкции – это единый взаимосвязанный процесс, в котором каждая из составляющих не исключает, а дополняет и определяет другую. Триада материал – конструкция – технология неразделима.

Композит представляет собой неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Поведение композита под действием различных нагрузок определяется соотношением свойств армирующих элементов матрицы, а также прочностью связи между ними. В композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и прочность в направлении ориентации волокон.

Армирующие волокна, применяемые в конструкционных КМ, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных технологических требований. К первым относятся требования, обусловливающие прочность, жесткость, плотность, стабильность в определенном температурном интервале, химическую стойкость и т. п. Ко вторым – технологичность волокон, определяющая возможность создания высокопроизводительных процессов изготовления силовых каркасов и изделий на их основе. Армирующие компоненты используют в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Свойства КМ при этом зависят не только от свойств волокон матрицы, но и от способа армирования, в соответствии с которым можно выделить следующие основные группы:

· композиты, образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокнами (несмотря на большое многообразие структур, которые определяются числом слоев, их толщиной и взаимной ориентацией, свойства таких материалов оцениваются свойствами однонаправленного слоя);

· композиты, армированные тканями (тканые материалы);

· композиты с хаотическим и пространственным армированием.

Форма волокнистых армирующих элементов определяется природой волокон, способом их получения и дальнейшей текстильной переработкой, а также процессом изготовления композитов и изделий из них. Волокнистые армирующие элементы – это, как правило, непрерывные волокна, представляющие собой крученые и некрученые нити, жгуты (ровинги), ленты, ткани различного переплетения, а также короткие волокна в виде порошков, штапельных тканей, матов и т. п.

Классификация композитов

В композитах армирующие элементы соединены изотропной полимерной, металлической или другими видами матрицы, которая обеспечивает монолитность материала, фиксируем форму изделия, способствует совместной работе волокон и перераспределяет нагрузку при разрушении части волокон. Тип матриц определят также метод изготовления конструкции. По типу матрицы КМ подразделяют на следующие группы:

· полимерные композиционные материалы;

· металлические композиционные материалы;

· керамические композиционные материалы;

· углерод-углеродные композиционные материалы.

Важнейшее преимущество композитов – возможность создания из них элементов конструкции с заранее заданными свойствами, наиболее полно соответствующими характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитных конструкций, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композита.

По конструктивному признаку волокнистые материалы различают в зависимости от типа арматуры и ее ориентации в матрице (рис. 1.2.1).

Рис.1.2.1. Классификация композитов по конструктивному признаку

а – хаотически армированные (1 – короткие волокна, 2 –непрерывные волокна); б – одномерно армированные (1 – однонаправленные непрерывные, 2 – однонаправленные короткие); в – двумерно армированные (1 – непрерывные нити, 2 – ткани); г - пространственно армированные (1 – три семейства нитей, 2 – n семейств нитей)

В результате совмещения различными технологическими способами армирующих элементов с матрицей образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают.

Важным требованием при создании волокнистых композитов является совместимость материалов волокна и матрицы. При этом совместимыми считают компоненты, на границе которых возможно достижение прочной связи, близкой к прочности матрицы, при условиях, обеспечивающих сохранение исходных свойств компонентов.