1. Определение композиционных материалов.

Композиционными называются материалы, в которых имеет место сочетание двух (или более) химически разнородных компонентов (фаз) с четкой границей раздела между ними. Это неоднородные (гетерогенные) по химическому составу и структуре материалы. Они характеризуются совокупностью свойств, не присущих каждому в отдельности взятому компоненту, входящему в состав данного композита. В композиционном материале достигается сочетание разнородных компонентов для получения качественно новых свойств. При этом очень важно, что в нем проявляются достоинства составляющих его компонентов, а не их недостатки. Для иллюстрации вышесказанного рассмотрим два примера. Пример 1: алюминий – электропроводный металл, обладает высокой пластичностью и теплопроводностью, однако, имеет малую твердость. Оксид алюминия (корунд) – керамика, является диэлектриком, по сравнению с алюминием плохо проводит тепло, отличается высокой твердостью (по шкале Мооса он занимает следующее место за алмазом), при этом, совершенно не проявляет пластичности, его разрушение носит хрупкий характер. Композиционный материал Al-Al₂O₃ – кермет, сочетает в себе полезные свойства керамики и металла – достаточно высокую твердость и пластичность. Его разрушение уже не является хрупким. В зависимости от количественного соотношения фаз Al/Al₂O₃ данный композит может быть либо диэлектриком, либо проводником, а также варьируя это соотношение, можно в широких пределах изменять его теплопроводность. Пример 2: Титан имеет плотность 4,5 г/см³, а его модуль упругости – 1,85  10⁵ МПа (низкомодульный, пластичный металл). Бериллий обладает гораздо меньшей плотностью (очень легкий металл) – 1,8 г/см³, а его модуль упругости, при этом, составляет 3,0  10⁵ МПа (высокомодульный металл, склонный к хрупкому разрушению). Композиционный материал Ti-Be “ТИБЕР” (при равных объемных долях составляющих его компонентов) является достаточно пластичным и характеризуется следующими значениями плотности и модуля упругости: 3,5 г/см³, 2,0  10⁵ МПа. (модуль упругости соответствует таковому для стали). При количественном превалировании одного из указанных металлов в составе ТИБЕРА, совокупные свойства рассматриваемого композита будут определяться свойствами того металла, объемная доля которого выше.

2. Понятие о структуре композиционных материалов.

Структура композиционных материалов представляет собой матрицу (основной компонент), содержащую в своем объеме упрочняющую (армирующую) фазу (или армирующие элементы), часто называемую наполнителем. Матрица и наполнитель разделены границей (поверхностью) раздела. Количество матричного материала в составе любого композита должно быть не менее 50% об. Наполнитель равномерно распределен в матрице и имеет заданную пространственную ориентацию.

2.1. Классификация армирующих элементов - наполнителя в матрице композиционного материала.

По геометрической форме наполнители разделяются на нульмерные, одномерные и двухмерные (рис.2.1). Нульмерный наполнитель представляет собой изометрические частицы, размеры которых могут варьироваться от 10^-2 до 10 мкм. Их размеры в направлении осей х,у.z одинаковы. Одномерный наполнитель – это волокна круглого или прямоугольного сечения. Линейные размеры, определяющие сечение волокон, составляют от 10^-1 до 10² мкм. Их длина на несколько порядков выше (1-10² мм). Двухмерный наполнитель – это слои (или пластины), длина и ширина которых (1-10² мм) значительно превышают их толщину (10-10³ мкм).

x

y

z

а

z

x

z

x

y

б

Рис. 2.1. Классификация наполнителей в композиционном материале

а – нульмерные (x=y=z), б – одномерные (x=yz), в – двумерные (x=yz).

Рис. 2.2. Классификация композиционных материалов по структурному признаку.

а – дисперсноупрочненные (1 –матрица, 2 – дисперсные включения),

б – волокнистые (1 –матрица, 2 – волокна),

в – слоистые (1 –матричные слои, 2 – армирующие слои).