Композиционные материалы

Композиционный  материал – конструкционный (металлический  или неметаллический) материал, в  котором имеются усиливающие  его элементы в виде нитей, волокон  или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами  или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы  с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать  композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими  и другими специальными свойствами.

2.2. Состав, строение и свойства композиционных материалов.

Свойства  композиционных материалов зависят  от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и  прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных  материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

Наибольшее  применение в строительстве и  технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и др. жаростойкими волокнами и SiC. При использовании углеродных, стеклянных, амидных и борных волокон, содержащихся в материале в кол-ве 50-70%, созданы композиции с удельной прочностью и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и др. свойствам. Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе Ni, Cr, Co, Ti и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350°С. При изготовлении металлических волокнистых композиционных материалов нанесение металлической матрицы на наполнитель осуществляют в основном из расплава материала матрицы, электрохимическим осаждением или напылением. Формование изделий проводят гл. обр. методом пропитки каркаса из армирующих волокон расплавом металла под давлением до 10 МПа или соединением фольги (матричного материала) с армирующими волокнами с применением прокатки, прессования, экструзии при нагреве до температуры плавления материала матрицы.

Один из общих технологических  методов изготовления полимерных и  металлических волокнистых и  слоистых композиционных материалов - выращивание кристаллов наполнителя  в матрице непосредственно в  процессе изготовления деталей. Такой  метод применяют, напр., при создании эвтектических жаропрочных сплавов  на основе Ni и Со. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80^oС. Композиционные материалы на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, хим. стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000 °С в инертной среде. Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости. Армирование дисперсными металлическими частицами позволяет создать керамико-металлические материалы (керметы), обладающие повышенной прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам. При изготовлении керамических композиционных материалов обычно применяют горячее прессование, прессование с последующим спеканием, шликерное литье. Армирование материалов дисперсными металлическими частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование гл. обр. применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с последующей обычной переработкой слитков в изделия. Введение, напр., ТhO₂ или ZrO₂ в сплав позволяет получать дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой при 1100-1200°С (предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов в тех же условиях 1000-1050°С). Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, антифрикционных, радио - и электротехнических и др. материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все виды композиционные материалы применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и др.

2.3. Классификация композиционных материалов.

1. Волокнистые композиционные  материалы.

Композиционные материалы  с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых  отношение длинны волокна к диаметру l/d»10¸10³, и с непрерывным волокном, в которых l/d»∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длинны к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован  большим числом параллельных непрерывных  волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой  исходную форму, по ширине и длине  соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

2. Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы.

В отличие от волокнистых  композиционных материалов в дисперсно-упрочненных  композиционных материалах матрица  является основным элементом, несущим  нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая  прочность достигается при размере  частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном  распределении их в матрице. Прочность  и жаропрочность в зависимости  от объемного содержания упрочняющих  фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об. %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких  соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и  редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет  сохранить высокую прочность  материала до 0,9-0,95 Т  . В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства  применяемых в технике металлов и сплавов.

3. Стекловолокниты.

Стекловолокниты – это  композиция, состоящая из синтетической  смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Для практических целей используют волокно диаметром 5-20 мкм с   = 600÷3800 МПа и ε = 2÷3,5 %.

Свойства стекловолокна  зависят также от содержания в  его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.

4. Карбоволокниты.

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие  из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи  С-С углеродных волокон позволяет  им сохранить прочность при очень  высоких температурах (в нейтральной  и восстановительной средах до 2200 °С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна  предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются  связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При  этом увеличивается степень активирования  углеродных волокон по содержанию карбоксильной  группы на их поверхности.

2.4. Структура композиционных материалов.

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

Волокнистые композиты армируются волокнами  или нитевидными кристаллами. Даже небольшое содержание наполнителя  в композитах такого типа приводит к существенному улучшению механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон.

В слоистых композиционных материалах матрица  и наполнитель расположены слоями, как, например, в триплексах, фанере, клееных деревянных конструкциях и  слоистых пластиках.

Микроструктура  остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что  матрицу наполняют частицами  армирующего вещества, а различаются  они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в  состав нанокомпозитов еще меньше и  составляют 10-100 нм.

Некоторые распространеные композиты

Бетоны — самые распространенные композиционные материалы. В настоящее время производится большая номенклатура бетонов, отличающихся по составам и свойствам. Современные бетоны производятся как на традиционных цементных матрицах, так и на полимерных ( эпоксидных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, акриловых и т.д.). Современные высокоэффективные бетоны по прочности приближаются к металлам. Популярными становятся декоративные бетоны.

Органопластики — композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, обладают относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. К наиболее распространенным органопластикам относятся древесные композиционные материалы. По объемам производства органопластики превосходят стали, аллюминий и пластмассы.

В зарубежной литературе в последнее время  становятся популярными новые термины - биополимеры, биопластики и соответственно - биокомпозиты.

Древесные композиционные материалы. К наиболее распространенным древесным композитам относятся арболиты, ксилолиты, цементностружечные плиты, клееные деревянные конструкции, фанеры и гнутоклееные детали, древесные пластики, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и балки, древесные прессмассы и пресспорошки, термопластичные древесно-полимерные композиты.

Стеклопластики - полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Стеклопластики обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Углепластики - наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Матрицами в угепластиках могут быть как термореактивные, так и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень легкие и, в то же время, прочные материалы.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С.