4.7. Основные группы композиционных материалов

Среди основных групп современных композиционных материалов можно выделить следующие.

Металлопласты - металлические листовые материалы с одно- или двухсторонним полимерным покрытием. Свойства определяются свой­ствами металлической основы. Покрытие должно обладать высокой адгезией к металлу и защищать его от коррозии, т.е. сочетать высокую химическую стойкость с низкой проницаемостью.

Металлополимеры - металлонаполненные полимеры или порис­тые металлы, пропитанные полимерными композициями. Наполнителя­ми служат порошки, волокна и ленты, получаемые практически из лю­бых металлов или сплавов (чаще всего Fe, Сu, Ni, Ag,Sn, Al, Co, Pb, Zn, Zr, Cr, Ti, Та). Свойства металлополимера определяются природой по­лимера и наполнителя, степенью наполнения и характером распределе­ния наполнителя. С целью увеличения магнитной восприимчивости в полимеры вводят Fe и его сплавы, для придания тепло- и электропро­водности - Al, Ag, Сu, Аu. Наполнение чешуйчатым А1 снижает газо- и влагопроницаемость полимеров. Присутствие Pb, W, РЗЭ, Bi, Cd прида­ет металлополимерам способность экранировать ионизирующие излу­чения. Металлополимеры, содержащие Pb, Zn. Zr, Mo и их химические соединения или сплавы, обладают низким коэффициентом трения. Дис­персные частицы наполнителя уменьшают, а волокна увеличивают прочность при изгибе и удельную ударную вязкость металлополимера.

Керметы - композиты, содержащие металлы или сплавы и один или несколько видов керамики. Композиции, в которых присутствие керамики улучшает свойства металла, называют дисперсно-упрочненными керметами или инфракерметами. Композиции, в кото­рых металл улучшает свойства керамики - ультракерметы.

В качестве керамической составляющей в кермете обычно исполь­зуют оксиды Al, Be, Mg, Zr, Th, U, карбиды W, Ti, Та, Nb, Cr, бориды Zr, Ti, в качестве металлической составляющей - тугоплавкие металлы, металлы группы Fe и др. К керметам относят твердые сплавы на основе Ni, Со, и карбидов W, Ti, Та, Мо, характеризующиеся высокой твердо­стью, прочностью, жаростойкостью и жаропрочностью.

По свойствам и применению различают: 1) высокотемпературные керметы, используемые для изготовления деталей газовых турбин, ар­матуры электропечей, в ракетной и реактивной технике (А1₂О₃ - Сг; А1₂Оз,ТhO₂ - Cr,Mo; A1₂O₃ - W,Cr). а также керметы на основе карбида TiC;. 2) твердые, изностойкие керметы, используемые для изготовления деталей, работающих на износ или в качестве режущих инструментов (материалы на основе карбидов и нитридов Ti, Те, Hf и др.); 3) керметы, используемые в специальных областях техники, - в атомных реакторах (тепловыделяющие элементы и другие детали из композиций UO₂ - Al, MgO-Ni. A1₂O₃ -Cr), в электротехнике и электронной технике (С-Си для электрощеток, Th0₂-Mo, ThO₂-W -для усиления эмисионной спо­собности катодов и др.), в тормозных устройствах (фрикционные мате­риалы, содержащие металлические и неметаллические компоненты -Сu, Fe, Ni, Co, Al₂О₃, Si0₂ и др).

Разнообразие композиционных материалов возрастает с каждым днем. Например, в медицине широко применяют биокомпозиты. В на­стоящее время разработаны биоактивные керамические, жидкокристал­лические и стеклокерамические материалы, поверхности которых обра­зуют химические связи с окружающей костной тканью и способствуют этим ее росту. Разработан искусственный заменитель человеческой ко­жи, основой которого является пористый полимер, полученный из бычьих коллагеновых волокон, скомбинированных с полисахаридом, покрытый силиконовым каучуком.

Может показаться, что композиты - это неоправданно сложные структуры. Однако элементы с задатками идеальных конструкционных материалов находятся, что называется, под рукой - в центральной части периодической системы. Эти элементы, среди которых углерод, алюми­ний, кремний, азот и кислород, образуют соединения с прочными ста­бильными связями. Такие соединения, типичными представителями которых являются керамические материалы, например, оксид алюминия (основа рубинов и сапфиров), карбид кремния и диоксид кремния (глав­ный компонент стекла), обладают высокой прочностью и жесткостью, а также теплостойкостью и устойчивостью к химическим воздействиям. Они имеют низкую плотность, а составляющие их элементы широко рас­пространены в природе. Один из элементов - углерод - имеет такие же хо­рошие свойства и в свободном состоянии - в форме углеродного волокна.

Можно ли ожидать в ближайшем будущем появления принципи­ально новых композиционных материалов? На этот вопрос следует от­ветить утвердительно. Примером служит полученная сравнительно не­давно в Японии сверхпластическая композитная керамика на основе тетрагональной модификации диоксида циркония, легированного 3%мол. оксида иттрия.