1.3. Критерии конструирования композита

Для успешного конструирования композиционного материала не­достаточно учитывать лишь свойства отдельных компонентов, нужно создавать материал, обладающий такими свойствами, которые обеспе­чат надежную работу изделия в заданных условиях.

При конструировании композита особенно важно:

• определить требуемые свойства композита и наиболее подходя­щие материалы для их реализации;

• обратить внимание на физическую, химическую, механическую и т.д. совместимости компонентов даже в наиболее тяжелых условиях работы, например, они должны одинаково или пропорционально де­формироваться;

• соблюдать определенную геометрию расположения компонентов композита (более прочная составляющая должна иметь вытянутую форму, например волокна, ленты, фольги, а менее прочная составляю­щая должна ее окружать);

• выбрать наиболее эффективную и экономичную технологию изго­товления композита.

После определения конструкции композита - выбора компонентов и распределения их функций, приступают к решению наиболее сложной задачи - изготовлению композиционного материала, включающему вы­бор геометрии армирования (например, различного рода плетения) и наиболее эффективного технологического метода соединения компо­нентов композита друг с другом (например, золь-гель методы, методы порошковой металлургии, методы осаждения-напыления и другие). Однако основная сложность заключается не в сборке отдельных компо­нентов композита, а в образовании между ними прочного и специфиче­ского соединения. При этом большую роль играет предварительный анализ граничных процессов, происходящих в системе. Межфазное взаимодействие оказывает влияние на прочность связи компонентов, возможность химических реакций на границе и образование новых фаз, формируя такие характеристики композита, как термостойкость, устой­чивость к действию агрессивных сред, прочность и другие важные экс­плуатационные характеристики нового материала. Осуществление кон­троля не только за составом, но и за структурой требует развития тео­рии, которая позволила бы предсказать, как будет влиять то или иное изменение на свойства композита. Когда стало расти число возможных комбинаций матрицы и армирующих волокон, а простое слоистое арми­рование начало уступать место армированию сложными переплетения­ми, исследователи стали искать пути, позволяющие избежать чисто эм­пирического подхода. Задача состоит в том, чтобы по характеристикам волокна (частиц и др.), матрицы и по их компоновке заранее предска­зать поведение композита.

В настоящее время в мировой практике при массовом производст­ве композитов целевого назначения проводят предварительный систем­ный количественный анализ. Обычно к решению проблем, связанных с производством новых материалов, применяют два метода такого анализа.

Многофакторный анализ полезности дает возможность определить "ценность" свойств того или иного материала в конкретном применении.

Метод моделирования процесс - стоимость основан на модели­ровании стоимости производства той или иной детали при ее изготовле­нии из различных материалов разными технологическими способами. Модели позволяют определить стоимостные последствия нескольких предполагаемых вариантов и проанализировать "чувствительность" стоимости к изменениям таких переменных, как выход годных изделий и объем производства, например, «конкуренция» между альтернатив­ными формовочными процессами наиболее высока в производстве авиационных двигателей. Стоимость изделия оказывается менее важной,

чем проблема выбора такого процесса, который обеспечил бы наи­более близкое соответствие изделия техническим условиям. Температу­ра реактивного двигателя является ключевым фактором, определяющим его КПД. Первоначально турбинные лопатки изготовляли ковкой, сейчас их часто отливают способом направленной кристаллизации. Получающая­ся структура обеспечивает больший срок службы. Методами порошковой металлургии и быстрого отвердения можно получать чрезвычайно одно­родные структуры с улучшенными свойствами. Например, турбинные ло­патки, изготовленные по этой технологии (80-90-е годы), позволили значи­тельно повысить рабочие температуры авиационных двигателей.

Применение новых композиционных материалов является важным фактором в решении таких фундаментальных экономических проблем, как ограниченность природных ресурсов, недостаток стратегических материалов, поддержание темпов экономического развития и роста производительности труда, сохранение конкурентоспособности на ми­ровом рынке. Первая из этих проблем может быть проиллюстрирована на примере меди. Спрос на этот металл продолжает оставаться стабиль­ным, о чем свидетельствует тот факт, что даже очень бедные медью рудные месторождения все еще эксплуатируются. Однако, как электро­проводящий металл медь вытесняется, например, композитами на осно­ве алюминия и полимеров. В промышленности средств связи медь считает­ся устаревшим материалом и ей на смену приходят оптические волокна.