Типология композиционных материалов

Композиционный материал - это материал, состоящий из двух или нескольких компонентов, которые отличаются по своей природе или химическому составу, где компоненты объединены в единую монолитную структуру с границей раздела между структурными компонентами, оптимальное сочетание которых позволяет получить комплекс физико- химических и механических свойств, отличающихся от комплекса свойств компонентов.

Дисперсноупрочненные КМ, армированные частицами

По геометрическому признаку такие КМ относятся к одному классу, так как армирующий компонент является нуль-мерным компонентом, имеющим все три размера одного и того же порядка. Частицы второго компонента(фазы) беспорядочно распределены в матрице, и в зависимости от их количества могут либо упрочнять матрицу, препятствуя развитию дислокационного скольжения при приложении нагрузки, либо«разгружают» матрицу, воспринимая часть приложенной нагрузки. В первом случае КМ относится к дисперсноупрочненным, во втором – к армированным композитам. В качестве дисперсных фаз используют обычно оксиды, бориды, карбиты, силиниды. Возможно также использование интерметаллидов. Эффективность упрочнения матрицы некогерентными дисперсными частицами фаз зависит от их размера и расстояния между соседними частицами. Роль армирующих частиц сводится не столько к упрочнению матрицы, сколько к перераспределению приложенной нагрузки между матрицей и наполнителем. Причем важное значение матрицы – передача нагрузки армирующим частицам . В качестве армирующих компонентов используют металлы, интерметаллиды , оксиды, нитриды и др. вещества существенно отличающиеся от матрицы по физико-механическим свойствам.

Волокнистые КМ

Это в основном микроструктурированные КМ, характеризующие тем, что в качестве наполнителя используются одномерные армирующие компоненты, один из размеров которых значительно превышает два других. В волокнистых КМ пластичная матрица армирована высокопрочными волокнами толщиной от нескольких микрометров. В качестве армирующих волокон могут использоваться: металлические проволоки, усы и кристаллы фаз, полученных направленной кристаллизацией; волокна неметаллов, таких как углерод и бор, полученных по специальным технологиям; керамические волокна на основе Al2 O3, SiC и др.; стекловолокно; органические волокна( полиэтилен; полиэфирные; полиамидные и др.

Выбор природы волокна определяется назначением композита и материалом матрицы, прежде всего физико-химической природой взаимодействия на границе раздела матрица – волокно. Однако при прочих равных условиях комплекс свойств волокнистого композиционного материала определяется геометрической схемой армирования.

Слоистые КМ

Этот класс композитов характеризуется тем, что фазы или компоненты расположены послойно. Они состоят из компонентов, имеющих два размера, которые значительно превышают третий. В слоистых композитах не имеет смысла делить компоненты на матрицу и арматуру. На субмикроструктурированном уровне слоистые КМ могут быть реализованы при осаждении из паровой фазы, а на микроструктурированном уровне - в слоистых эвтектических структурах, полученных направленной кристаллизацией, на макроскопическом уровне слоистые КМ могут быть реализованы в парах металл-металл, полимер-полимер, металл-полимер. Они представляют собой слои разнородных материалов толщиной от 1000 мкм с различной природой границы раздела. Однако независимо от природы взаимодействия компонентов на границе раздела связь между слоями должна достаточна для исключения необратимого перемещения одного слоя относительно другого при взаимодействии механической нагрузки и температуры.

Литература:

Новые материалы/ В. Н. Анциферов, Ф.Ф. Бездудный, Л. Н. Белянников и др.; под редакцией Ю.С. Карабасова. - Москва МИСИС, 2002.

КМ с полимерной матрицей (ПКМ)

Полимерные композиционные материалы, образованные различного типа армирующими элементами с полимерной матрицей, широко применяются в различных отраслях промышленности. Наибольшее распространение получили пластики, армированными стеклянными, углеродными, органическими, борными и некоторыми другими волокнами. В качестве матрицы используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные и другие термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы. К основным преимуществам композитов с полимерной матрицей относятся высокая удельная прочность и жесткость, стойкость к агрессивным химическим средам, низкая тепло- и электропроводность и т.п. Кроме того, при изготовлении этих материалов относительно легко при умеренных температурах и давлениях удается соединить армирующие элементы с матрицей. В этом случае применяют как традиционные процессы –прессование, контактно-вакуумное и автоклавное формование, так и специальные – намотка, пултрузия и другие процессы, когда материал и изделие создаются одновременно.

Основные виды ПКМ

  • полимеры, содержащие любые твердые частицы или волокна;
  • смеси полимеров;
  • полимеры, содержащие жидкости в виде включений или пластикаторов;
  • полимеры, содержащие газообразные наполнители;

Полимеры с волокнистыми наполнителями

Главная цель наполнения полимеров волокнами – получение сверхпрочных и легких материалов. Удельная прочность (отношение разрывной прочности к плотности) и удельный модуль упругости ( отношение модуля и плотности) волокно- наполненных полимеров (волокнитов) превосходит эти показатели для наиболее прочных и жестких материалов.

Сравнительные свойства полимеров наполненных волокнами

Материал Удельный модуль *10-4 МПа/(г/см3) Удельная прочность *10-2 МПа/(г/см3)
Алюминий

2.5

0.25

Нержавеющая сталь

2.7

2.2

Полистирол

0.27

0.4

Отвержденная эпоксидная смола

0.27

0.5

Эпоксид со стеклянными волокнами

2.3

6.5

Эпоксид с борными волкнами

14.7

9.2

Эпоксид с углеродными волокнами

12.2

5.2

Для получения волокнитов с наиболее высокими прочностными свойствами необходимо использовать длинные волокна, но длинные волокна нельзя смешивать с высоковязкими полимерами, их можно пропитать олигомерами, а затем олигомер отвердить для придания ему высоких модуля упругости и прочности. Поэтому в качестве основы для получения высокопрочных композиций используют термореактивные олигомеры, такие как: эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические, полиэфирные и др. смолы, которые после пропитки ими волокон отверждают. В случае использования термореактивных смол легче добиться высокой адгезии связующего к волокну. В последнее время все шире в качестве связующего для волокнитов стали использовать термопласты. Термопласты возможно наполнить только короткими хаотично расположенными волокнами путем смешения коротковолокнистых наполнителей или рубленного волокна с полимером.При смешении волокна ломается и соотношение L/D, оно оказывается неудовлетворительно низким, менее 100. Поэтому получить композиции на основе термопластов с очень высокими прочностными характеристиками не удается. Но даже сравнительно небольшое усиление термопластов волокнами является весьма желательным. Упрочняют волокнами в основном высокомодульные термопласты, такие как: полиамиды, полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат, поликарбонат, полипропилен, полиимид, АБС- пластики и аналогичные им. При использовании неполярных полимеров с низкой адгезией к волокну, таких как полипропилен, поликарбонат, приходиться прибегать и модификации полимеров для повышения их адгезии к наполнителю.

КМ с керамической матрицей (ККМ)

Керамические композиционные материалы представляют собой материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических и неметаллических наполнителей.Сопоставление свойств керамики и металлов привело к попыткам создания КМ, в которых керамическая матрица сочетается с металлическими включениями в виде порошка. Так, появились керметы. Сегодня керметом считают материал, содержащий более 50 % тугоплавкой неметаллической фазы. Были созданы кер-меты на основе карбида титана и оксида алюминия, слюды и никеля, оксида системы алюминий—вольфрам—хром и многие другие. Однако керметы обладают существенным недостатком — хрупкостью, поэтому их применение во многих случаях ограничено.

Композиционные материалы с металлическими волокнами

Керамику чаще армируют волокнами вольфрама, молибдена, стали, ниобия. Основная цель введения в керамику металлических волокон заключается в образовании пластической сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевременного разрушения. Изготавливают такие ККМ в основном методами горячего прессования и шликерного литья, поскольку металлические волокна не взаимодействуют с оксидной керамикой вплоть до температур 2073...2773 К. Удельная вязкость и термостойкость ККМ непрерывно повышаются по мере увеличения содержания армирующих волокон в композите. Однако при содержании волокон более 25 % возрастает пористость материала, что приводит к его разупрочнению. Широкое применение металлических волокон для армирования керамики ограничивается их низкой стойкостью к окислению при высоких температурах.

Композиционные материалы с углеродными волокнами

Взаимодействие углерода с оксидами, карбидами и силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами, поэтому перспективно в качестве матриц высокотемпературных КМ с углеродными волокнами использовать керамику. В тех случаях, когда предполагаемая температура эксплу­атации деталей из ККМ превышает 2273 К, целесообразно применять керамическую матрицу на основе карбидов, выше 1273 К — на основе боридов и нитридов, при более низких температурах — оксидную матрицу.Важным условием для обеспечения прочности углеродистых волокон в ККМ является оптимальное соотношение модулей упругости волокон и матрицы. При объемной доле углеродных волокон 50...60 % их прочность максимально используется при отношении модулей упругости материала и волокна, прибли­жающемся к 0,1, поэтому для армирования керамики следует применять высокомодульные волокна.

Композиционные материалы с волокнами карбида кремния

При практически равной прочности эти ККМ имеют преимущества перед аналогичными материалами с углеродными волокнами, так как имеют повышенную стойкость к окислению при высоких температурах и значительно меньшую анизотропию коэффициента термического расширения.В качестве матричного материала используют порошки боросиликатного, алюмоборосиликатного, литиевоборосиликатного стекла или смеси стекол в различных соотношениях. Волокна карбида кремния применяют в виде моноволокна или непрерывной пряжи со средним диаметром отдельных волокон 10...12 мкм. ККМ, армированные моноволокном, получают горячим прессованием слоев из лент волокна и стеклянного порошка в среде аргона. Они удобны с точки зрения изготовления деталей сложных форм из материалов, армированных непрерывной пряжей. По своим свойствам эти материалы даже превосходят ККМ, армированные моноволокном.

Гибридные композиционные материалы (ГКМ)

Гибридными композиционными материалами называют материалы, содержащие в своем составе три или более компонентов, регулирующие свойства композитов. Полиматричными (или гетероматричными) называют материалы, состоящие из двух или более матричных компонентов, отделенных один от другого поверхностями раздела, причем армирующие волокна могут сохранять непрерывность на границе раздела матриц. Полиармированные (поливолокнистые) КМ состоят из одной матрицы с распределенными в ней армирующими компонентами различных видов. В соответствии с типом распределения компонентов ГКМ обычно подразделяют следующим образом: однородные, характеризующиеся равномерным распределением каждого армирующего компонента по всему объему материала; материалы с линейной неоднородностью, в которых волокна одного вида (или обоих видов) объединяются в жгуты, равномерно распределенные по объему материала; композиты с плоскостной неоднородностью, когда волокна каждого вида образуют чере­дующиеся слои; макронеоднородные композиты, в которых разнородные волокна образуют зоны, соизмеримые с характерным размером изделия.

Литература:

Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов/ И. М. Буланов, В.В. Воробей; издательство МГТУ им. Н.Э. Баумена, 1998.