5. Производные свойства км.
Есть еще один вид свойств, которые называются производными. Для их понимания рассмотрим несколько последовательных схем. На вещество А действуем свойством Х (рис. 3.2). На выходе вещества А получается свойство Y.
Рис. 5.Переход свойства Х в свойство Y
Например, нагреваем вещество (свойство Х), а получаем изменение его размеров (свойство Y). На вещество В подействуем свойством Y, а на выходе получим свойство Z (рис. 6).
Рис. 6. Переход свойства Y в свойство Z
Теперь объединим вещества А и В в КМ и подействуем на него свойством Х (рис. 7).
Рис. 7. Переход свойства X в свойство Z
Как видим, свойство Y, выходя из вещества А, действует на вещество В, а на выходе из КМ получается свойство Z. Внутри КМ мы не видим проявления свойства Y. Поэтому можем представить, что на КМ действует свойство Х, а выходит свойство Z.
Пример такого КМ. Вещество А сцинтиллирует (светится) под действием потока корпускул (частиц), вещество В увеличивает свою электропроводность под действием освещения (фотопроводник). В целом такой КМ будет увеличивать свою электропроводность под действием потока корпускул.
Подбирая пары веществ А и В с разными свойствами Х, Y и Z, можно получить искусственный КМ со свойствами Х–Z, которых нет у природных веществ. Все это открывает большие возможности по созданию и применению принципиально новых КМ.
6. Виды км и их классификация.
Свойства КМ нельзя определить только по свойствам компонентов без учета их взаимодействия.
КМ бывают двух видов: 1) упрочненные; 2) со специальными физическими свойствами, которых иногда нет у природных материалов.
В зависимости от вида армирующего компонента композиты могут быть разделены на 3 основные группы: дисперсно-упрочненные (ДКМ), волокнистые (ВКМ) и эвтектические (ЭКМ), которые отличаются структурой, механизмом образования высокой прочности, анизотропией и др.
Материалами матрицы могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические вещества, полимеры, керамика и др. вещества (углерод, воск). Иногда матрица состоит не из одного, а из двух разнородных материалов, так называемых полиматричных КМ. Усиливающими, или армирующими, компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной породы.
Классификаций КМ существует много.
Таблица
Материаловедческая классификация.
Направленный характер свойств КМ, естественно, предполагает, что наряду с высокими механическими характеристиками в одних направлениях они обладают низкими в других.
Важнейшее достоинство композитов – возможность создавать из них элементы конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиями работы. Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования при создании композитов, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и микроструктуры композитов.
Волокнистое армирование (рис. 8) позволяет использовать новые принципы проектирования и изготовления изделий, основанные на том, что материал и изделие создаются одновременно в рамках одного и того же технологического процесса.
В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми не обладают изолированные компоненты. В частности, появление ряда новых свойств в композитах связано с гетерогенной структурой, обусловливающей наличие большой поверхности раздела между волокнами и матрицей. Так, наличие границы раздела существенно повышает трещиностойкость материала.
Рис. 8. Классификация композитов по конструктивному признаку:
а – хаотическое армирование; б – одномерное армирование; в – двумерное армирование; г – пространственно армированные структуры (ПАС)
Устойчивость любого твердого тела к распространению трещин определяется механизмом поглощения энергии в вершине растущей трещины.
В композитах поперечные растягивающие напряжения на конце растущей трещины могут вызывать отслаивание волокон от матрицы, а сдвиговые напряжения на границе раздела – распространение отслоенных участков вдоль волокон. При отслаивании затрачивается энергия, поскольку волокна должны перемещаться относительно матрицы. Кроме того, при дальнейшем нагружении до разрушения волокна могут разрываться в матрице вдали от плоскости распространяющихся трещин. Поэтому для армированных материалов характерны такие механизмы повышения вязкости разрушения, которых нет у гомогенных материалов.