Введение
То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце.
Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.
Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больше волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в 18 в. (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины 20 в. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.
Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции, которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор.
Композиционные материалы
Композиционные материалы — искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.
Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, непрерывный во всем объеме, называется матрицей,а прерывистый, разделенный в объеме, называется арматурой.
Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.
В качестве матриц могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.
Армирующие или упрочняющие компоненты(или наполнители) равномерно распределены в матрице. Они обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу.
Композиционные материалы классифицируют:
По геометрии наполнителя
• с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
• с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;
•с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.
По схеме расположения наполнителей
•с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;
•с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
•с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.
По природе компонентов
• содержащие компонент из металлов или сплавов;
• содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
•содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
•содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.
Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений.
2..Структура и свойства композиционных материалов.
По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные( частицами) и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.
В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.
Рис. 6.1. Типы композиционных материалов: дисперсноупрочненные, армированные или волокнистые
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.
Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах.
высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)
высокая жёсткость (модуль упругости140 - 240 ГПа)
высокая износостойкость
высокая усталостная прочность
легкость
Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.
Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение:Высокая стоимость, Анизотропия свойств, Низкая ударная вязкость, Высокий удельный объем, Гигроскопичность, Токсичность, Низкая эксплуатационная технологичность
3Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.
В дкм 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. 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.
Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из алюминия и дисперсных чешуек Al O . Частицы Al O эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность сплава. Содержание Al O в САП колеблется от 6-9 % (САП-1) и до 13-18 % (САП-3). Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250-500 °С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы.
Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов.
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре.