Композиционные материалы и их классификация

Композиционные материалы (композиты, КМ) – искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой физико-химическими связями.

композит

Одним из компонентов композиционных материалов является арматура, или наполнитель, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, а другим компонентом – матрица (или связующее), обеспечивающая совместную работу армирующих элементов. В качестве матрицы используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы, в зависимости от типа которых композиционные материалы получают общее название.

Упрочнителями служат стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, боридов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При формировании композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих элементов композиций.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно в зависимости от назначения получить материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т.п.

Композиционные материалы имеют высокую удельную прочность, жесткость (модуль упругости 130–140 ГПа), высокие износостойкость, усталостную прочность. Из них можно изготовить размеростабильные конструкции. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей машиностроения.

Но некоторые виды композитов имеют недостатки: высокую стоимость, анизотропию свойств, повышенную наукоемкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно, развитого промышленного производства и научной базы.

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе компонентов, схеме расположения наполнителей, по природе компонентов, структуре композиционного материала.

По природе компонентов композиционные материалы делят на четыре группы:

  1. КМ, содержащие компоненты из металлов или сплавов;
  2. КМ, включающие компоненты из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
  3. КМ, состоящие из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
  4. КМ, содержащие компоненты из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты.

Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Механические свойства композита могут изменяться за счет ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами позволяет придать материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях). За счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси. В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель располагаются слоями.

Остальные классы композиционных материалов характеризуются наполнением матрицы частицами армирующего вещества, различающегося дисперсностью частиц. Так, дисперсно-упрочненные композиты включают от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Композиты, упрочненные частицами, содержат 20–25% (по объему) частиц размером более 1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов, составляют 10–100 нм.

ЧИТАЙТЕ ДАЛЕЕ: