Композиционные материалы. 
Материаловедение и технология конструкционных материалов. 
Штамповочное и литейное производство

Состав и свойства композиционных материалов

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер. Удовлетворить эти требования можно, используя композиционные материалы.

Композиционным материалом, или композитом, называют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов, строение которой позволяет использовать преимущества каждого из них.

Принцип построения композитов человек заимствовал у природы. Типичными композитами являются стволы деревьев, стебли растений, кости человека и животных.

Композиты позволяют иметь заданное сочетание разнородных свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости, теплозащитных свойств и др. Спектр свойств композитов невозможно получить при использовании обычных материалов. Их применение дает возможность создавать ранее недоступные принципиально новые конструкции.

Благодаря композитам стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы машин и конструкций и повышении массовой эффективности транспортных средств и авиационно-космических аппаратов.

Важными характеристиками материалов, работающих в этих условиях, являются удельная прочность cj (pg) и удельная жесткость E/(pg)_y где а_в — временное сопротивление; Е — модуль упругости; р — плотность материала; g — ускорение свободного падения. По удельной прочности и жесткости композиты превосходят все известные конструкционные сплавы.

Композиты состоят из сравнительно пластичного матричного материала — основы и более твердых и прочных компонентов, являющихся наполнителями. Свойства композитов зависят от свойств основы, наполнителей и прочности связи между ними.

Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму и служит для передачи внешних нагрузок арматуре из наполнителей. В зависимости от материала основы различают композиты с металлической матрицей, или металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной — полимерные композиционные материалы (ПКМ) и с керамической — керамические композиционные материалы (ККМ).

Ведущую роль в упрочнении композитов играют наполнители, часто называемые упрочМишелями. Они имеют высокую прочность, твердость и модуль упругости. По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на дисперсно-упрочненные, волокнистые и слоистые (рис. 2.4).

В дисперсно-упрочненные композиты искусственно вводят мелкие, равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и другие, не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее композит. В отличие от волокнистых, в дисперсно-упрочненных композитах основным несущим элементом является матрица. Ансамбль дисперсных частиц наполнителя упрочняет материал за счет сопротивления движению дислокаций при нагружении, что затрудняет пластическую деформацию. Эффективное сопротивление движению дислокаций сохраняется вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсно-упрочненные композиты отличаются высокими жаропрочностью и сопротивлением ползучести.

Арматурой в волокнистых композитах могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки разного плетения. Армирование волокнистых композитов осуществляют по одноосной, двухосной и трехосной схемам (рис. 2.5, а). Прочность и жесткость таких материалов определяются свойствами армирующих волокон, воспринимающих основную нагрузку. Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.

Слоистые композиты (рис. 2.5, б) набираются из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала (типа «сэндвич»). Слои наполнителя в таких композитах могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя из.

Рис. 2.4. Схемы строения композитов: а — дисперсно-упрочненные; б — волокнистые; в — слоистые.

Рис. 2.5. Схемы армирования волокнистых (а) и слоистых композитов (б):

L — толщина слоя; /, и /₂ — длина и диаметр волокна; /₃, /₄, /₅ — размеры слоя.

разных материалов с разными механическими свойствами. Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы.