1.2.5. Композиционные материалы (смешанный тип связей)

Композиционный материал (композит) состоит из разнородных веществ, имеющих, как правило, различную химическую природу. В композите используются преимущества каждого из компонентов, и в то же время достигается новый уровень свойств, не характерных для отдельных составляющих. Композиты состоят из матрицы и наполнителя.

Матрица (от лат. matrix – источник, начало) характеризует непрерывную пространственную фазу, ответственную за сохранение конфигурации изделия, передачу эксплуатационных нагрузок, сопротивление действию внешних факторов.

В большинстве конструкционных материалов в качестве матрицы используют вещества с металлической, ионной и молекулярно-ковалентной связями: металлы, керамики и полимеры. Природа матрицы определяет уровень рабочих температур, характер изменения его свойств, а также технологические приемы и режимы получения и переработки материалов в изделия.

Наполнителями в композиционных материалах служат непрерывные волокнистые армирующие элементы в виде элементарных волокон, комплексных нитей, жгутов, лент, тканей с различной текстурой; короткие волокна со сравнительно небольшим отношением длины к диаметру в составе штапельных тканей, матов, бумаги; дисперсные частицы, имеющие форму сфер, дисков, чешуек и т.п.

Вариацией природы, числа и объемного соотношения можно в широких пределах целенаправленно изменять и регулировать их свойства, создавать новые материалы с таким сочетанием механических, теплофизических и других характеристик, которые бы наиболее полно удовлетворяли требованиям, предъявляемым к готовым изделиям с учетом их функционального назначения и условий эксплуатации.

Наполнители обеспечивают высокий уровень упругопрочностных и других специальных свойств композиционных материалов.

Обобщенная схема материалов с различными типами связи представлена на рис.1.2.

Pис. 1.2. Схематическое представление вклада разных типов связи в материалах

Свойство материала сопротивляться внешним нагрузкам обусловлено его строением.

Рис. 1.3 . Последовательность получения заданных свойств материала

Последовательность получения требуемых свойств материала может быть выражена схемой (рис. 1.3). Способом управления является выбор химического состава и технологических этапов, в процессе которых получают изделие. Например, для металлов и сплавов технологические этапы включают: получение монолитного материала (выплавка, распыление, компактирование или другие способы), деформирование, термическую обработку полуфабрикатов и изделий, обработку поверхности, а для полимерных материалов

Основой квалифицированного выбора и применения материалов является знание следующих связей:

– внешние факторы воздействия на материал на технологических этапах изготовления изделий → строение материала;

– строение материала → свойства, необходимые при эксплуатации: прочность, пластичность, жаропрочность, износостойкость, коррозионная стойкость и другие.

Строение материала включает как его внутренний объем, так и поверхностные слои. Строение материала определяется его составом и структурой.

Состав материала: химический состав: атомы и молекулы (их тип и количество).

Структура (от лат. structura – расположение, порядок) – это закономерная пространственная организация объектов, составляющих материал, включая границы их раздела. К структуре относят также дефекты, возникающие при получении материала и изготовлении деталей.

Применение в машиностроении материалов с тем или иным типом связи определяется многими факторами: доступностью исходного сырья, трудоемкостью получения полуфабрикатов и изделий, многообразием возможностей целенаправленного изменения свойств материалов и т.п.