16. Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиты) представляют собой гетерофазные системы, получаемые из двух или более компонентов с со­хранением индивидуальности каждого из них.

Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей. Другой компонент прерывный, раз­деленный в объеме композиции, считается упрочняющим или армирующим. Матричными материалами могут быть металлы, их сплавы, керамика, неорганические и органические вяжущие, полимеры. Упрочняющими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.

В композитах разнородные компоненты создают синергетический эффект  новое качество материала, отличное от свойств исходных компонентов. В конст­рукционных композитах главное  это высокая удельная проч­ность (коэффициент конструктивного качества), превышающая аналогичную характеристику стали примерно в 15 раз.

При­мером композиционных материалов, применяемых в строительстве, явля­ются стеклопластики, состоящие из полимерной матрицы и стек­ловолокон.

Механические и другие свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью упрочняю­щих компонентов, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-упрочнитель. Соотношение этих параметров характеризует весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения. Работоспособность композита обеспе­чивается, как правильным выбором исходных компонентов, так и рациональной технологией производства, обеспечивающей со­хранение их первоначальных свойств.

Для волокнистых композиционных материалов существует не­сколько классификаций, например, материаловедческий (по при­роде компонентов); конструктивный (по типу арматуры и ее ори­ентации в матрице). Можно выделить несколько больших групп композитов: с полимерной матрицей (пластики), с металлической матрицей (металлокомпозиты), с керамической матрицей и мат­рицей из углерода.

В зависимости от природы армирующих волокон различают следующие композиты, например, на полимерной матрице: стек­лопластики, углепластики, боропластики, органопластики и т.д. То же и на других матрицах.

Различают композиты и от способов армирования: компактно-образованные из слоев, армированных параллельно-непрерыв­ными волокнами, армированные тканями с хаотическим и про­странственным армированием.

В зависимости от вида армирования композиты могут быть разделены на две группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются структурой и механизмом образования вы­сокой прочности.

К композитам можно отнести многие строительные материа­лы: бетон и железобетон, строительные растворы, фибробетон, асбестоцемент, древесностружечные и древесноволокнистые пли­ты и др. Они не обладают прочностью истинных композитов, но в принципе состоят из тех же компонентов: матрицы и упрочнителя.

Теория композиционных материалов заключается, прежде всего, в понимании композита как системы с несколькими структур­ными уровнями, скомпонованными через поверхности раздела в единый монолит  конгломерат.

Строительные материалы на основе неорганических и органи­ческих вяжущих веществ иногда объединяют названием искусст­венные конгломераты в отличие от природных конгломератов, имеющихся в земной коре. Природные и искусственные конгло­мераты образуются с обязательным цементированием полизерни­стых и другого вида заполнителей (наполнителей)  волокнистых, пластинчатых, посредством первичных связей (химических, элек­трических, металлических и т.п.) или вторичных веществ  вяжущих (связующих).

Таким образом, большинство строительных материалов мож­но отнести к композиционным материалам, так как в них имеются в том или ином виде матрица и упрочняющий компонент. Причем последний может быть как дисперсно-упрочняющим, так и волокнистым.

Для матрицы применяют цемент, известь, гипс, битум, керами­ку, полимеры и др. Матрицей могут быть и более сложные мате­риалы, уже являющиеся композитами: строительный раствор, бетон, где матрица - цементный камень, упрочняющий компонент - мелкий и крупный заполнитель. При армировании этих компо­зитов получают как бы новые композиты - армоцемент и железо­бетон соответственно. Этот композит имеет двойное и тройное упрочнение, то есть, системы с нескольки­ми структурными уровнями.