7. Слоистые композиционные материалы и их классификация. 257
7.1. Физические основы торможения разрушения в слоистых композиционных материалах. 261
7.2. Особенности технологического процесса получения слоистых композиционных материалов. 269
8. Применение композиционных материалов в технике. 288
9. Список рекомендуемой литературы. 304 введение
Первым создателем композиционных материалов была сама природа. Множество природных конструкций (стволы деревьев, кости человека и животных, зубы) имеют характерную волокнистую структуру, то есть это - природные волокнистые композиты. Древесина – композит, состоящий из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого сечения, связанных между собой органическим веществом – лигнином, придающим древесине поперечную жесткость (бамбук – это SiO2 в целлюлозной матрице). Кости – это тонкие, прочные нити фосфатных солей, соединенные пластичным коллагеном. Другие природные образования – минералы, также являются примером композитной структуры. Например, минерал нефрит состоит из плотноупакованных игольчатых кристаллов, связанных между собой по поверхностям раздела. Такая структура обеспечивает высокую вязкость нефрита, вследствие чего он хорошо обрабатывается и способен выдерживать ударные нагрузки. Поэтому различные древние племена использовали его как материал для изготовления топоров.
Человечество еще на заре своего существования применяло композитный принцип при создании различных изделий и конструкций. Давно известно применение в строительстве высокопрочных кирпичей из глины, армированных соломой (рис.1.1.а). Это также пример волокнистого композиционного материала, в котором роль волокна, как армирующего элемента, выполняли дискретные отрезки соломы. Для изготовления такого стройматериала человек отыскивал ближайшее месторождение глины, добывал ее, затворял водой для придания необходимой пластичности и перемешивал с соломой. Из полученной пластичной
Рис.1.1. Примеры конструкций, в которых применен композитный принцип формирования структуры.
а – глиняный кирпич, армированный соломой (саман);
б – каменная кладка, упрочненная железными полосами;
в – железобетонное изделие (сж – сжимающие напряжения, р – растягивающие напряжения воспринимаемые стальной арматурой).
композитной массы он формовал кирпичи, которые высушивал под солнечными лучами. При высокой прочности такой композит является хорошей теплоизоляцией. Подбирая оптимальную конструкцию лука для охоты на животных, древний человек заметил, что лук, составленный из нескольких слоев дерева много прочнее, чем изготовленный из цельной деревянной заготовки. При этом наблюдалась большая гибкость слоистой конструкции вследствие ее высокой деформативной способности.
Известно, что при постройке храма Василия Блаженного в Москве (1555 – 1560 гг.) зодчие Барма и Постник использовали композитный принцип создания конструкций – армирование каменных плит железными полосами (рис.1.1.б).
Примером научного подхода при создании искусственных композиционных материалов можно считать появление железобетона (рис.1.1.в). Известно, что после завершения твердения бетон представляет собой камнеподобное тело. Ему свойственен хрупкий характер разрушения. Для таких материалов предел прочности при сжатии на много (1-2 порядка) превышает таковой при растяжении. Для того чтобы повысить прочность бетона при растяжении, его заливку производят в опалубку, в которой предварительно установлен сварной каркас из стальной арматуры. В описанной конструкции растягивающие напряжения воспринимает на себя арматура. Широко применяются также напряженные железобетонные конструкции, в которых арматура, перед заливкой бетонного раствора, подвергается растяжению до заданной величины деформации при помощи специальных растягивающих устройств. После окончания твердения арматуру высвобождают из растягивающих устройств, тогда на бетонную конструкцию передаются сжимающие напряжения. Такой композиционный материал способен еще более эффективно сопротивляться разрушению при воздействии растягивающих напряжений.
Первый патент на полимерный композиционный материал был выдан в 1909 году. Его сущность заключалась в упрочнении синтетических смол природными волокнами. Кроме того, в качестве упрочнителя предлагалось использовать бумагу и хлопчатобумажную ткань. Стеклопластик был запатентован в 1935 году. Полимер наполняли стекловолокном, а затем отверждали. Прочность наполненного полимера на несколько порядков превосходила данный показатель для материала, не имеющего в своем составе стекловолокон.
Следует отметить, что современное материаловедение изучает и широко использует возможности, заложенные в идею создания композиционных материалов. За счет выбора армирующих элементов, варьирования их объемной доли в матричном материале, а также размеров, формы, ориентации и прочности связи по границе «матрица-наполнитель», свойства композиционных материалов можно регулировать в значительных пределах. Применение композитов позволяет резко снизить массу летательных аппаратов, автомобилей, судов, повысить их дальность действия, увеличить КПД двигателей, а также создать новые конструкции, работоспособность которых ранее лимитировалась отсутствием необходимых материалов.