Глава 24. Композиционные материалы

В общем понимании «композиционный материал» - это материал, состоящий из двух или нескольких различных компонентов. Следовательно, большинство из рассмотренных выше материалов (стекла, керамика, пластмассы, мастики, резины, лакокрасочные материалы и др.) можно считать композиционными материалами. Однако, в современных представлениях к этому классу относят вполне определенные материалы.

Композиционные материалы (КМ) – это гетерофазные системы, состоящие из двух или более компонентов, в которых сохраняются индивидуальные свойства каждого компонента. Композиционные конструкционные материалы по совокупности различных свойств выгодно отличаются от металлических конструкционных материалов, что позволяет совершенствовать существующие конструкции, а также открывать новые пути в области конструирования и технологии изготовления изделий самого различного назначения. Тот факт, что необходимые функциональные свойства этих материалов формируются в процессе изготовления конкретной конструкции, во много раз увеличивает их перспективность за счет варьирования состава и структуры композитов.

Для конструкционных композиционных материалов характерны ряд признаков.

Во-первых, состав и форма компонентов определяются заранее. Во-вторых, вид и количественный состав компонентов подбирается в зависимости от заданных свойств формируемого материала. В третьих, сформированный материал является однородным в макромасштабе и неоднородным на микроуровне: компоненты различаются по свойствам, и между ними существует граница раздела, так называемый "межфазный слой".

Как правило, компоненты композиций различают по геометрическому признаку. Компонент, обладающий непрерывностью по всему объему, получил название матрицы, а прерывный компонент, разделенный в объеме композиции, носит название арматуры (усиливающий, армирующий компонент, наполнитель).

В качестве матрицы могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими или армирующими компонентами могут быть дисперсные частицы или волокна материалов различной природы. По виду арматуры выделяют две группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые композиционные материалы. Они отличаются друг от друга структурой и механизмами образования высокой прочности.

Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой систему, в матрице которой равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго компоненты в количестве, не превышающем 2 – 4% объемн. Здесь всю механическую нагрузку в конструкции воспринимает матрица, а дисперсный наполнитель обеспечивает эффективное сопротивление пластическим деформациям.

У волокнистых композитов пластичная, как правило, матрица армируется высокопрочными волокнами. В этом случае стремятся к обеспечению равномерного нагружения арматуры с использованием ее высокой прочности. Объемная доля высокопрочных и высокомодульных волокон в таких композитах может достигать 75%. Отличительной особенностью волокнистых композитов является анизотропия свойств, обусловленная преимущественным расположением волокон в том или ином направлении.

Механические свойства волокнистых композиционных материалов определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матриц и прочностью связи на границе матрица – волокно. Именно соотношение этих параметров определяет весь комплекс механических свойств и механизм разрушения композита. Его работоспособность, надежность и долговечность зависят от правильности выбора исходных компонентов и технологии формирования изделия. Здесь уместно заметить, что не всегда достижение высоких механических показателей композита может также благотворно повлиять и на другие эксплуатационные свойства. В частности, для изделий, эксплуатируемых в контакте в агрессивными средами, когда требуется,помимо высокой прочности и жесткости конструкции, химическая стойкость и непроницаемость, приходится этому фактору подчинить выбор исходных компонентов, их соотношение (приходится увеличить долю химически стойкой полимерной матрицы) и технологию формирования структуры композиционного материала, т.е. решать многофакторную задачу формирования оптимальной конструкции самого композита.

Армирующие волокна. Известно, что теоретическая прочность материалавозрастает с увеличением модуля упругости Е и поверхностной энергиивещества и снижается с увеличением расстояния между соседними плоскостями а₀. Этим требованиям удовлетворяют бериллий, бор, азот, углерод, кислород, алюминий и кремний. Высокопрочные материалы всегда содержат один из этих элементов или полностью состоят из какого-либо элемента этого ряда. При создании волокнистых композитов используют высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки или волокна и нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, боридов, нитридов и других соединений. Волокнистая арматура может быть представлена в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Важными требованиями для волокнистой арматуры являются их технологичность и совместимость с матрицей.

Матричные материалы. Задачей матрицы является обеспечение монолитности композита, фиксация формы изделия и взаимное расположение волокон, распределение действующих напряжений по объему материала для равномерной нагрузки на волокна и ее перераспределение при разрушении части волокон. Матрица должна также обеспечивать высокую химическую стойкость композитов, эксплуатируемых в агрессивных средах, и ряд других функциональных свойств изделия. Материал матрицы определяет метод изготовления изделий из композитов, возможность создания конструкций требуемых габаритов и формы. От материала матрицы зависят также параметры технологических процессов.

Граница раздела матрица-волокно. Свойства границы раздела, в первую очередь адгезионное взаимодействие волокна с матрицей, определяют уровень свойств композитов и их сохранность в условиях эксплуатации. Адгезионная связь не должна разрушаться под воздействие термических и усадочных напряжений и различных внешних воздействий.

Классификации композиционных материалов. Важнейшим достоинством композиционных материалов является возможность создавать из них изделия с заранее заданными свойствами, что обеспечивается широкой номенклатурой армирующих волокон и матриц, возможностью варьирования компонентами и схемами укладки волокон.

Для композиционных волокнистых материалов существует несколько классификаций, в основу которых положены различные признаки, например, материаловедческий (по природе компонентов); конструктивный (по типу арматуры и ее ориентации в матрице). В рамках рассматриваемых классификаций можно выделить несколько больших групп композиционных материалов. К таким группам следует отнести композиты с полимерной матрицей (пластики), композиты с металлической матрицей (металлокомпозиты), композиты с керамической матрицей и матрицей из углерода.

В зависимости от природы армирующих волокон различают, например, следующие композиты на полимерной матрице: стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики и т.д. Существуют аналогичные по названиям композиты и на других матрицах.

На рис. 24.1. представлена классификация композитов по конструктивному признаку.

Свойства композитов зависят не только от свойств волокон и матрицы, но и от способов армирования. Различают композиты: образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокнами (свойств их в основном определяются свойствами однонаправленного слоя); армированные тканями (текстолиты); с хаотическим и пространственным армированием.

Волокнистое армирование позволяет использовать новые принципы проектирования и изготовления изделий, основанные на том, что материал и изделие создаются одновременно в рамках одного и того же технологического процесса.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающих исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают.

Современные композиты имеют не только широкий спектр физико-механических свойств, но и способны к направленному их изменению, например, повышать вязкость разрушения, регулировать жесткость, прочность и другие свойства. Эти возможности расширяются при применении в композитах волокон различной природы и геометрии, т.е. при создании гибридных композитов, тканных материалов, сочетании разных типов арматуры и т.д. Кроме того, для данных материалов характерно проявление синергетического эффекта (согласованного совместного действия нескольких факторов в одном направлении).

На рис. 24.2 и 24.3. представлены характерные профили армирующих волокон и структура стеклотканей

В качестве полимерной матрицы используются отвержденные эпоксидные, полиэфирные, фенолоформальдегидные, фурановые, кремнийорганические, некоторые другие термореактивные смолы, а также некоторые термопласты.

Качественно новый уровень свойств полимерных композиционных материалов достигается при карбонизации полимерной матрицы, получаемой при создании углерод - углеродных композиционных материалов (УУКМ). Эти материалы представляют собой систему углеродное волокно – углеродная матрица, отличающейся уникальными свойствами: чрезвычайно высокой теплостойкостью (в инертной среде они сохраняют свои высокие удельные физико-механические свойства вплоть до 2500 К и в отличие от углепластиков могут длительно эксплуатироваться при повышенных температурах), хорошей стойкостью к термоударам, высокой химической стойкостью, что делает их весьма перспективными в химическом машиностроении. На рис. 24.4. приведены принципиальные схемы структуры УУКМ.

В таблице 24.1. приведены свойства стеклопластиков на различных связующих.

В настоящее время при создании крупногабаритной химической аппаратуры, трубопроводов, газоходов, вентиляционных систем наиболее широкое использование получили стеклопластики.

Таблица 24.1. Основные свойства стеклопластиков различного типа

Тип стеклопластика	Плотность, кг/м3	Прочность, МПа			Модуль упругости, ГПа			Ударная вязкость, кДж/м2
		при растяжении	при изгибе	при сжатии	при скалывании	при растяжении	при изгибе
Полиэфирный	1600-1900	225,4-541 196-392	245-480,6 186,2-294	73,5-484,2 66,6-166,6	7,84-21,6 11,8	13,43-34,56 8,82-12,74	14,70-24,58 10,78-13,72	245-490 98-162
Эпоксидный	1750-2100	568,4-882 343-617,4	441-882 245-529,2	166,6-833 147-480	30,4-58,8 8,8-23,5	23,52-54,20 18,62-28,42	24,50-56,84 20,58-34,30	392-686 206-274
Фенолоформальдегидный	1600-1850	254-524,6 147-382,2	294-502 117,6-274,4	196-629,2 98-343	14,7-49 7,8-19,6	18,62-31,36 5,88-27,44	20,58-48,02 14,70-36,26	147-294 54-103
Кремний органический	1600-1850	196-430 150,9-194	147-353,8 124,5-196	147-245 98-147	5,9-19,6 0,98	13,72-37,24 8,82-20,58	16,66-23,52 9,80-17,64	53-333 24-71

Продолжение Таблицы 24.1.

Тип стеклопластика	Коэффициент Пуассона	Водопоглощение, %	Теплостойкость по Мартенсу, К	Температура, К			Коэффициент термического расширения х 106, К-1	Удельная тпелоемкость, кДж/(кг*К)	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)	Температуропроводность х 10-3, м2/ч
				Длительной эксплуатации	Кратковременной эксплуатации	Начала деструкции
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Полиэфирный	0,14 0,11	0,2-0,8	353-523	358-483	423-673	473-553	3,5	1,6	0,36	0,5
Эпоксидный	0,2 0,16	0,3-1,3	423-533	423-523	523-733	573-623*	6	1,1	0,24-0,43	0,7
Фенолоформальдегидный	0,15 0,09	0,8-1,5	458-623	473-593	573-793	573*	6-18	1-1,3	0,28-0,35	0,6-0,7
Кремнийорганический	0,13 0,08	0,1-0,5	53-673	573-773	723-1073	973	7-20	0,40,8	0,35-0,65	0,1-0,3

*Горит при 673 – 723

Примечание. Значения, приведенные в числителе, соответствуют направлению армирования, в знаменателе - поперечному направлению.