3.5.4 Композиційні матеріали (композити)

Композиційні матеріали (від латинського кomposіtіо−складання) представляють собою гетерогенні дисперсні багатокомпонентні системи, які складаються з двох або декількох різних твердих фаз. Одна з них є суцільною (дисперсійне середовище) і називається матрицею (основою), а інші розподілені в ній у вигляді частинок, волокон, плівочок (дисперсна фаза), які називають наповнювачами. Якщо матрицею виступав полімер, то його називають зв'язуючим.

Композити класифікують:

а) за формою (структурою) наповнювача ;

б) за природою матричного матеріалу.

За структурою наповнювача композити ділять на:

а) дисперговані або дисперснозміцнені з наповнювачем у вигляді тонкодисперсних частинок;

б) волокнисті – армовані волокнами або ниткоподібними кристалами;

в) шаруваті, які армовані плівками, лусочками, пластинками або склеєні плівками шари різних фаз.

Армуючі наповнювачі приймають основну частку навантаження композиційних матеріалів.

За природою матричного матеріалу розрізняють полімерні, металеві, вуглецеві, керамічні та інші композити.

Матриці в композиційних матеріалах забезпечують монолітність матеріалу, передачу і розподіл напруги в наповнювачі, визначає тепло-, волого,- вогне- і хімічну стабільність.

Методом підбирання складу і властивостей наповнювача і матриці (зв'язувача), їх співвідношення і орієнтації наповнювача можна одержати матеріали, що володіють потрібною комбінацією експлуатаційних і технологічних властивостей.

Використання в одному матеріалі декількох матриць (поліматричні композиційні матеріали) або наповнювачів різної природи (гібридні композиційні матеріали) значно розширює можливості регулювання властивостей композиційних матеріалів.

Надзвичайно важливим фактом є те, що композиційні матеріали, як правило, це не проста комбінація вихідних компонентів, а вони володіють тільки їм властивими особливостями. Ці особливості можна регулювати зміною адгезії між матрицею і наповнювачем, кількісним співвідношенням між компонентами, заміною одного наповнювача іншим. Принципи, закладені в методах одержання композитів, дають можливість регулювати такі їх властивості, як міцність, пружність, еластичність, пластичність, температуростійкість, здатність до стирання, здатність до поглинання звуків, електропровідність та інші спеціальні властивості. Міцність, пружність та інші механічні властивості безумовно залежать від природи наповнювача, дисперсності та форми його частинок. Вони різко зростають за рахунок утворення просторової сітки із частинок дисперсної фази. Особливо ефективними в цьому відношенні є волокнисті наповнювачі, які широко використовуються, як армуючий компонент. Основну частину механічних навантажень приймає на себе просторова сітка із наповнювача. Матриця передає ці навантаження від частинки до частинки і, якщо вона м'якша за наповнювач, то служить, крім того, амортизатором. Мінеральні наповнювачі збільшують твердість матеріалів, ріст дисперсності волокон приводить до збільшення пружної деформації. Каучукоподібні наповнювачі надають матеріалові еластичність, ударну міцність.

Найбільше застосування в техніці одержали композиційні матеріали, армовані високоміцними і високомодульними безперервними волокнами. До них відносять: полімерні композиційні матеріали на основі термореактивних (епоксидних, поліефірних, фенолоформальдегідних, поліамідних і ін.) і термопластичних зв'язуючих, армованих скляними (склопластики), вуглецевими (вуглепластики), органічними (органопластики), борними (боропластики) і іншими волокнами; металічні композиційні матеріали на основі сплавів Al, Mg, Cu, Ті, Ni, Cr, армованих борними, вуглецевими або карбідсиліцієвими волокнами, а також стальним, молібденовим або вольфрамовим дротом; композиційні матеріали на основі вуглецю, армовані вуглецевими волокнами (вуглець-вуглецеві матеріали); композиційні матеріали на основі кераміки, армованої вуглецевими, карбідкремнієвими і іншими жаростійкими волокнами, а також SiC.

При використанні вуглецевих, скляних і борних волокон, що містяться в матеріалі в кількості 50-70%, створені композиції з питомою міцністю і питомим модулем пружності в 2-5 раз більшими, ніж в звичайних конструкційних матеріалах і сплавах. Крім того, волокнисті матеріали переважають метали і сплави за втомною міцністю, вібростабільністю, шумопоглинанням, ударною в'язкістю і іншими властивостями. Так, армування сплавів алюмінію волокнами бору значно поліпшує їх механічні характеристики і дозволяє підвищити температуру сплаву з 250-500°С до 450-500°С. Армування дротом із W і Мо і волокнами тугоплавких сполук використовують при створенні жароміцних композиційних матеріалів на основі Ni, Сг, Со, Тi та їх сплавів. Так, жароміцні сплави Ni армовані волокнами, можуть працювати при 1300-1330⁰C.

При виготовленні металічних волокнистих композиційних матеріалів нанесення металічної матриці на наповнювач здійснюють, в основному, із розплаву матеріалу матриці і електрохімічним осадженням або напиленням. Формування виробів проводять, головним чином, методом просочування каркасу із армованих волокон розплавом металу під тиском до 10 МПа або з'єднанням фольги (матричного матеріалу) з армуючими волокнами з застосуванням прокачування, пресування, еструзії при нагріванні до температури плавлення матеріалу матриці (див. металополімери).

Один із загальних технологічних методів виготовлення полімерних і металічних волокнистих і шаруватих композиційних матеріалів - вирощування кристалів наповнювача в матриці безпосередньо в процесі виготовлення деталей. Такий метод застосовують, наприклад, при створенні евтектичних жаростійких сплавів на основі Nі i Co. Легування розплавів карбідними та інтерметалічними сполуками, які утворюють при охолодженні в контрольованих умовах волокнисті або пластинчасті кристали, приводить до зміцнення сплавів і дозволяє підвищити температуру їх експлуатації на 60-80°С.

Композиційні матеріали на основі вуглецю характеризуються низькою густиною і високою теплопровідністю, хімічною стабільністю, постійністю розмірів при різких перепадах температур, а також зростанням міцності і модуля пружності при нагріванні до 2000°С в інертному середовищі.

Високоміцні композиційні матеріали на основі кераміки одержують при армуванні волокнистими наповнювачами, а також металічними і керамічними дисперсними частинками. Армування безперервними волокнами SiC дає змогу одержувати композиційні матеріали, які характеризуються підвищеною в'язкістю, міцністю на згинання і високою стабільністю до окиснення при високих температурах. Одначе армування кераміки волокнами не завжди приводить до значного підвищення їх міцнісних властивостей із-за відсутності еластичного стану матеріалу при високому значенні його модуля пружності.

Перспективний напрямок створення високоміцних композиційних матеріалів - армування матеріалів ниткоподібними кристалами ("вусами"), які внаслідок малого діаметра практично позбавлені дефектів, які є в великих кристалах і володіють великою міцністю, найбільший практичний інтерес представляють кристали Аl₂О₃ , BeO, SiC, B₄C, Si₃N₄, AlN і графіту діаметром 1-30мкм і довжиною 0,3-15 мм.

Розглянемо деякі композиційні матеріали на основі різних матриць і наповнювачів. Одними з перших були одержані компози ційні матеріали з полімерною матрицею. До них відносяться гума і ебоніт. При виготовленні гуми, поряд з іншими компонентами, які добавляються до каучука, як наповнювачі використовують сажу, яка різко підвищує міцність (в 5-10 разів) гуми. Замість сажі іноді використовують т. зв. білу сажу (гідрофобізований силіцій оксид). Якщо гума володіє еластичними властивостями, то ебоніт − твердий матеріал високої міцності. Матриця ебоніту представляє собою сильно завулканізований сирий каучук, а як наповнювач застосовують сажу, пил антрациту або ебоніту.

Волокнисті матеріали для армування полімерів використовують для виготовлення склопластиків. Скляне волокно одержують продавлюванням розплавленої скломаси через фільєри (тонкі отвори), при розділенні її струменя перегрітою парою, стисненим повітрям, під дією відцентрових сил, тощо. В залежності від призначення, одержують скляне волокно з товщиною ниток від 0,2 до 50 мкм. В склопластиках скловолокном армують звичайно епоксидні і поліестерні смоли, з якими забезпечується задовільна адгезія. Міцність цього матеріалу при значній його легкості досягає міцності сталі. Із склопластиків виготовляють труби, блоки, деталі для автомобілів, літаків, контейнери, вагони, тощо.

Велику увагу привертають волокна на основі вуглецю (вугілля, графіт). Вони володіють добрими технологічними властивостями, високою міцністю, при невеликій густині можуть бути одержані дуже тонкими. Вуглецеві волокна дешеві і доступні, й у даний час ними наповнюють матриці різної природи.

В металічних композиційних матеріалах, як наповнювачі, використовують порошки і волокна різного походження. Поширення одержали волокна із оксидів алюмінію, бору, силіцій карбіду і ін. Застосовуються часто механічні методи одержання металічних волокон, які полягають в протягуванні дроту, нарізанні металічних ошурків. Волокна легкоплавких металів одержують із їх розплавів методами фонтанування, розпилення стисненим повітрям і ін. В останні роки навчилися одержувати ниткоподібні кристали ("вуса") які володіють міцністю, що наближається до теоретичної, а також полікристалічні нитки, які надають матеріалам ряд нових властивостей.

Основна складність у виробництві металічних композиційних матеріалів полягає в тому, що необхідно забезпечити рівномірний розподіл порошку або волокон в об'ємі матриці.

Із композиційних матеріалів на мінеральній основі перспективними є склокристалічні матеріали – ситали. Їх одержують частковою або повною кристалізацією скла при наявності каталізатора кристалізації. Сировиною для одержання ситалів служать відходи скляного виробництва, металургійні шлаки і ін. В розплаві шихти при її охолодженні утворюються зародки кристалізації (каталізатор), на яких потім кристалізується сама скломаса. В залежності від складу і температурної обробки матеріал може містити до 95 % кристалічної фази з розмірами кристаликів від 40 до 2000 нм. Ситали володіють високою твердістю, термостабільністю, хімічною стійкістю. Вони легші від алюмінію і майже в п'ять разів міцніші від звичайного скла.