8.1 Классификация км по материалам матрицы и армирующих компонентов.

Характеристика КМ по материалу матрицы и армирующих компонентов указывает на их физико-химическую природу. По материалу матрицы различают:

1) Металлические КМ или композиционные материалы на основе металлов и сплавов. Чаще всего используются алюминий, магний, титан, медь и сплавы на их основе.

2) КМ на основе интерметаллидов, когда в качестве матрицы используются химические соединения металлов с металлами. Это относительно новый класс КМ, в котором в качестве материала матрицы используются жаропрочные интерметаллиды Ti₃Al, TiAl, NiAl, Ni₃Al и др. [13].

3) Керамические КМ. В качестве матрицы этих материалов используются неорганические соединения оксидов, карбидов, нитридов и т. п. Является новым классом КМ, который имеет перспективы, как класс супержаропрочных материалов [13].

4) КМ на основе неметаллических компонентов. Это прежде всего КМ на основе углерода, которые считаются одними из самых перспективных конструкционных материалов, особенно в сочетании с углеродными волокнами [13].

5) КМ с матрицей из полимеров. Эпоксидные, полиэфирные и некоторые другие термоактивные смолы, а также полимерные термопласты являются наиболее широко распространенной группой конструкционных композитов.

В качестве армирующих компонентов (наполнителей) полимерных композиционных материалов (ПКМ) обычно применяют твердые наполнители: непрерывные и дискретные волокна различной природы, ткани и нетканые материалы на основе этих волокон. Наибольшее распространение получили пластики, армированные стеклянными, углеродными, органическими, борными и некоторыми другими видами волокон.

Армирующие компоненты, или наполнители, во многом определяют свойства КМ. В настоящее время широкое применение нашли армирующие компоненты, изготовленные из:

- металлов и сплавов (сталь, бериллий, вольфрамат титана и др.);

- неметаллов, таких, как углерод и бор;

- керамики А1₂О₃, SiC, TiB₂, TiC, AlN и др.;

- стекол, таких, как стекло Е и стекло S;

- органических веществ, таких, как лавсан, кевлар, полиэтилен и др.

8.2 Классификация км по структуре: геометрии и расположению компонентов структурных составляющих.

Классификация КМ по геометрии компонентов в определенной степени остается противоречивой, так как она тесно связана с классификацией по структуре и расположению компонентов и очень часто их не разделяет.

Согласно этой классификации, КМ относятся к одному из следующих классов:

- дисперсноупрочненные композиты и композиты, армированные частицами;

- волокнистые композиты;

- слоистые композиционные материалы.

С учетом размера и распределения вторых фаз или армирующих компонентов в каждом из классов КМ можно выделить подклассы [13]:

- субмикроструктурированные композиты: размер частиц (dч), толщина волокна (dв) намного меньше 1 мкм (d  1 мкм);

- микроструктурированные композиты: размер частиц, толщина волокна или слоя (dc) имеет порядок одного микрометра (d = 1 мкм);

- макроструктурированные композиты: макроскопические размеры компонентов имеют порядок одного миллиметра (d  0,1 мм).

Рассмотрим характеристики КМ в соответствии с морфологией фаз или геометрией армирующих компонентов.

Рисунок 10 – Схематическое изображение микроструктуры дисперсно-упрочненных КМ и композитов, армированных частицами: 1- матрица; 2 - армирующие частицы диаметром d _ч; S _ч - расстояние между частицами [13]

В первом случае КМ относится к дисперсно - упрочненным, во втором - к композитам, армированным частицами.

1 Дисперсно-упрочненные КМ и композиты, армированные частицами (рис. 10). По геометрическому признаку эти композиты относятся к одному классу, так как армирующий компонент является нуль-мерным компонентом, имеющим все три размера одного и того же порядка. Частицы второго компонента (фазы) беспорядочно распределены в матрице и в зависимости от их количества могут либо упрочнять матрицу, препятствуя развитию дислокационного скольжения при приложении нагрузки, либо «разгружают» матрицу, воспринимая часть приложенной нагрузки.

В дисперсно-упрочненных композитах размер частиц d_ч1 мкм (субмикроструктурированные композиты), а их количество составляет 1-15 %. Эффективность упрочнения матрицы зависит от размера частиц и расстояния между ними. Наибольший эффект упрочнения наблюдается при размере частиц меньше 0,1 мкм, расстоянии между ними S_ч = 0,01-0,3 мкм и количестве около 15 % [13].

Роль армирующих частиц сводится не столько к упрочнению матрицы, сколько к перераспределению приложенной нагрузки между матрицей и наполнителем. Причем важное назначение матрицы - это передача нагрузки армирующим частицам. Свою роль армирующие частицы выполняют, если их содержание превышает 25 %.

2 Волокнистые КМ (рис. 11). Это в основном микроструктурированные КМ, характеризующиеся тем, что в качестве наполнителя используются одномерные армирующие компоненты, один из размеров которых значительно превышает два других. В волокнистых КМ пластичная матрица армирована высокопрочными волокнами толщиной от нескольких микрометров до сотен микрометров.

Рисунок 11 – Схематическое изображение микроструктуры волокнистых КМ: 1- матрица; 2 - армирующие волокна диаметром d в [13]

Содержание волокон в матрице может изменяться в широких пределах. Теоретически максимальное содержание волокон может достигать 91 % объема. Однако в реальных условиях уже объемная доля волокон в 80 % приводит к ухудшению свойств волокнистого композита.

Выбор природы волокна определяется назначением композита и материалом матрицы, прежде всего физико-химической природой взаимодействия на границе раздела матрица-волокно. Однако при прочих равных условиях комплекс свойств волокнистого композита определяется геометрической схемой армирования (рис. 12, 13). Схемы хаотичного армирования короткими волокнами 1 (рис. 12 б), одномерного армирования короткими волокнами 2 (рис. 12 а) и длинными волокнами 1 (рис. 12 а) могут быть использованы для любой матрицы, в то время как остальные - в основном только для полимерной матрицы.

Следует также отметить, что схемы двумерного (рис. 13) и пространственного армирования (рис. 12) легче всего реализуются при изготовлении деталей и узлов из полимерных материалов.

3 Слоистые («сэндвичевые») КМ. Этот класс композитов характеризуется тем, что фазы или компоненты расположены послойно (рис. 13).

Рисунок 12 – Схематическое изображение микроструктуры волокнистых КМ: а - одномерно армированные: 1 - однонаправленные непрерывные; 2 - однонаправленные короткие; б - хаотически армированные: 1 - короткие волокна; 2 - непрерывные волокна [13].

Рисунок 13 – Схематическое изображение микроструктуры пространственно армированных волокнистых КМ: 1 - три семейства нитей; 2 – N- семейств нитей [13]

Они состоят из компонентов, имеющих два размера, которые значительно превышают третий. Естественно, что в слоистых композиционных материалах не имеет смысла делить компоненты на матрицу и арматуру. На субмикроструктурном уровне слоистые композиты могут быть реализованы при осаждении из паровой фазы, а на микроструктурном уровне - в слоистых эвтектических структурах, полученных направленной кристаллизацией (например, системы типа Al-CuAl2, Cd-Sn, Al-Zn, Co-CoBe [13] и др.).

Рисунок 13 – Схематическое изображение микроструктуры слоистых КМ: а – слоистый с толщиной слоя α dc; б - слоистый армированный: непрерывными нитями; в - слоистый, армированный тканями [13]

На макроскопическом уровне слоистые композиты могут быть реализованы в парах металл-металл, полимер-полимер, металл-полимер. Они представляют собой слои разнородных материалов толщиной от 100 до 1000 мкм с различной природой границы раздела. Однако независимо от природы взаимодействия компонентов на границе раздела связь между слоями должна быть достаточна для исключения необратимого перемещения одного слоя относительно другого при воздействии механической нагрузки и температуры.

К слоистым относят и особую форму КМ, известную под названием структурных сотовых конструкций [16].

Структура таких КМ состоит из следующих элементов (рис. 14): двух тонких облицовочных пластин - обшивок 1, толстой легкой сердцевины – заполнителя 3, разделяющего несущие пластины и распределяющего нагрузку между ними, и адгезионных слоев 3, связывающих пластины с заполнителем и передающих нагрузку от заполнителя к облицовочным пластинам.

Рисунок 13 – Структура «сэндвичевого» (сотового) КМ: 1 – обшивка; 2 - адгезионный слой; 3 – заполнитель [16]

Такую конструкцию обычно рассматривают как двутавровую балку, одна из горизонтальных пластин которой «работает» на сжатие, а другая - на растяжение. Сотовый заполнитель, связывающий пластины, аналогичен вертикальной полке двутавровой балки, «работает» на сдвиг и повышает изгибную жесткость. Эффективность сотовых конструкций демонстрируется данными, приведенными в таблице 3 для конструкций различной толщины (рис. 14).

Таблица 3 – Свойства «сэндвичевых» (сотовых) КМ различной толщины из алюминия [16].

Рисунок 14 – Схемы сотовых КМ различной толщины из алюминия (t = 4 мм; плотность – 0,037 т/м3): а – t; б - 2t; в - 4t [16].