3. Композиционные материалы

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят нерастворимые друг в друге компоненты, которые отличаются по свойствам. Основу композиционных материалов (КМ) представляет собой относительно пластичный материал, называемый матрицей. В матрице равномерно распределены более прочные и твердые вещества, которые называют наполнителями или упрочнителями. Матрица бывает углеродной, металлической, керамической и полимерной. По форме упрочнителя КМ группируются на дисперсно-упрочненные (с нульмерными упрочнителями), волокнистые (с одномерными упрочнителями) и сложные (с двумерными упрочнителями).

Нульмерные упрочнители имеют довольно небольшую величину одного порядка во всех 3-х измерениях. Ими считаются дисперсные частички нитридов, карбидов, оксидов и др.

В дисперсно-упрочненных материалах несущим компонентом, который воспринимает нагрузки, считается матрица. Дисперсные частицы преграждают перемещению дислокаций при изменении формы материала, благодаря чему и происходит упрочнение.

Одномерные упрочнители имеют небольшие размеры в двух измерениях и существенно превосходящие их величину в третьем измерении. Данными упрочнителями считаются всевозможные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений, проволока. В волокнистых композиционных материалах несущим компонентом считается упрочнитель, а матрица способствует соединению упрочнителя и передачи ему больших нагрузок. Содержание упрочнителя в волокнистых материалах колеблется в широком диапазоне - от 15 до 75 % (по объему).

Двумерные упрочнители имеют небольшие размеры в одном измерении и существенные размеры в 2-х других измерениях. Этими упрочнителями служат ткани, фольга, листы и др., чередующиеся с матричным материалом. Упрочнитель представляет собой компонент, который воспринимает нагрузку в слоистых композиционных материалах.

Существуют полиармированные и полиматричные композиционные материалы. Полиматричные материалы имеют комбинированные матрицы, которые состоят из чередующихся слоев матриц с разным химическим составом. В полиармированных материалах присутствуют одновременно упрочнители разной формы или одинаковой формы, но различного химического состава.

Для увеличения ряда качеств или определения какого-либо качества при армировании КМ в одно и то же время пользуются наполнителями разной формы. В частности, чтобы увеличить прочность связи между полимерной матрицей и одномерными наполнителями (углеродным или стеклянным волокном), в матрицу вводят нульмерный упрочнитель (частицы карбида кремния, асбеста и др.). С точно такой же целью используют армирование наполнителями одной формы, но различного состава. Например, для увеличения модуля упругости КМ с полимерной матрицей, которая армирована волокном из стекла, вспомогательно вводят волокно бора. КМ, содержащие два или же больше разных наполнителей, называют полиармированными. В случае, если КМ состоят из трех или более составляющих, их называют гибридными.

3.1. Матрицы для полимерных композиционных материалов (пкм).

3.1. Матрицы для полимерных композиционных материалов (ПКМ). .

Разработка полимерных матриц для ПКМ — основательная и значимая проблема, потому как большинство свойств ПКМ определяются матрицей. Прежде всего, не что иное, как матрица связывает волокна друг с другом, формируя цельный конструкционный материал. От таких свойств матрицы, как жесткость, вязкость разрушения, прочность, пластичность, ударная вязкость зависит как реализуются высокие механические свойства волокон. Ударная прочность, температурное поведение, химическая стойкость, водо- и атмосферостойкость, трансверсальные (поперек волокон) механические свойства ПКМ значительным образом ориентируются полимерной матрицей и свойствами границы раздела фаз. Дополнительно при исследовании связующих нужно принимать во внимание и их технологические свойства (время, кинетика отверждения, вязкость и давление переработки, смачиваемость армирующего материала, усадка и прочие), нередко как раз данные свойства имеют возможность являться решающими. Экологически правильные и совершенные процессы (по наличию и токсичности применяемых растворителей и других компонентов) получения и переработки препрегов (полуфабрикатов в виде пропитанных связующим тканей и лент) и изделий из ПКМ играют одну из важных ролей. Разработка оптимальных для конкретных применений полимерных матриц ограничено не столько возможностями синтетической полимерной химии, сколько необходимостью строго количественно выражать обширный ряд столь противоречивых требований к связующему. К примеру, добиться наибольшей прочности композитов и определить соответствующие требования к механическим характеристикам матрицы трудно по причине многообразия механизмов разрушения ПКМ и связано с необходимостью правильно описывать процесс разрушения и испытывать эталоны в условиях, которые отражают действительную работу материала в изделии.

Полимерные связующие подразделяются на два главных класса: термореактивные и термопластичные. Первые, как правило, предполагают собой относительно низковязкие жидкости (при температуре переработки), превращающиеся в неплавкую твердую полимерную матрицу после пропитки армирующего материала (лент, волокон, тканей, нитей) благодаря химическим реакциям. Этот химический процесс называется отверждением. Вторая группа — линейные полимеры, имеющие способность многократно переходить в жидкое расплавленное состояние при повышении температуры.

В настоящее время, для того чтобы устранить дефекты связующих и достичь оптимальных свойств, стали применять использовать всевозможные смеси полимеров. К примеру, введение каучуков в эпоксиды (и др. термореактивные связующие) увеличивает ударную прочность и вязкость разрушения композита, однако немного уменьшает прочность и модуль упругости связующего. При поддержании высокой прочности и жесткости, к тем же эффектам приводит модификация термореактивных связующих термопластами. Олигомерные соединения улучшают технологичность, уменьшают вязкость термопластов. Предшествующая обработка армирующего материала малым количеством низковязких термореактивных смол способствует склеиванию волокна внутри нитей и в других местах, куда не имеют возможность просочиться высоковязкие термопласты.

При создании композиционного материала нужно помнить и о третьем обязательном компоненте материала — границе фаз между волокном и матрицей. Зачастую это одно из наиболее непрочнх мест материала, и как раз здесь начинается деструкция как при механических нагрузках, так и при иных воздействиях, к примеру, под влиянием воды, внешней атмосферы и других. В следствие этого во множестве случаев производят особую обработку поверхности волокон. Углеродные волокна подвергают окислению, в результате чего на их поверхности образуются гидроксильные, оксидные и другие полярные группы, которые хорошо взаимодействуют с полимерной матрицей. Аналогично поступают и с полиэтиленовыми волокнами, которые обрабатывают в плазме. На стеклянные волокна наносят специальные химические вещества — аппреты, вступающие чаще всего в химические реакции как с поверхностью волокна, так и со связующим при его отверждении, и которые образовывают, таким образом, химическую связь между матрицей и волокном.

Изучение, создание и использование полимерных композиционных материалов — очень перспективная и активно развивающаяся область современного материаловедения.