Шпоры по ТКМ / литье, резание, КМ / 7 тема.2 волпрос а

7 тема. 2 вопрос а

а) Классификация композиционных материалов

Композиционный материал (далее композит) состоит из матрицы одного материала с распределенными в ней заданным образом волокнами или дисперсными частицами другого материала. Такое распределение называют армированием. По характеру распределения армирующего материала композиты можно разделить на два основных класса: 1) композиты с упорядоченным армированием; 2) композиты с неупорядоченным армированием. В первом случае разработчик материала заранее задается конфигурацией, т.е. геометрической структурой распределения арматуры в матрице. Во втором случае распределение арматуры носит случайный, хаотический характер. Композиционные материалы обоих классов можно разделить еще по типу материалов, используемых в качестве матриц, и армирующих материалов. И те, и другие материалы могут быть полимерами, керамикой или металлами. Когда требуется материал с высокими значениями прочности и жесткости теплостойкости и устойчивости к химическим воздействиям, используют элементы, расположенные в середине Периодической системы, — углерод, алюминий, кремний, кислород, азот. Эти элементы образуют друг с другом соединения с прочными стабильными связями. Типичными представителями таких соединений являются керамические материалы: SiC, Si₃N₄, Si0₂, Аl₂О₃. Для них характерен известный недостаток — большая хрупкость. Но если такой материал изготавливают из мелких частиц или тонких волокон, его прочность значительно повышается. Высокая прочность мелких частиц связана с тем, что вероятность появления в образце дефекта настолько большого, чтобы вызвать хрупкое разрушение, падает с уменьшением размера образца. Аналогичный эффект наблюдается и в повышении прочности металлов, и в упрочнении керамики, для чего применяется очень тонкий помол. Кроме того, при разрыве одного волокна дефект не распространяется на другие волокна и нить (жгут) в целом не разрушается, а в однородном материале трещина распространяется вплоть до разрушения всего образца. Однако простой пучок волокон представляет собой довольно небольшую ценность как конструкционный материал. Для использования максимально возможной прочности волокон их помещают в матрицу, которая играет адгезионную роль — соединяет волокна и к тому же придает материалу форму. Нагрузка от матрицы на армирующее волокно (рис. 1 а) передается сдвиговыми силами, действующими на его поверхность, которая поэтому должна быть велика по сравнению с площадью сечения волокна, т.е. в одном измерении размер арматуры должен быть много больше, чем в других. Таким образом, волокна-нити — самая выгодная конфигурация арматуры композита для конструкционных применений. Установлено, что критическое отношение длины волокна L к его диаметру d должно быть примерно L d  100. Понятно, что армирование короткими волокнами и частицами другой формы хуже, чем армирование длинными непрерывными волокнами. Для других неконструкционных целей уже нет необходимости придерживаться этого принципа. При использовании длинных волокон возникает явление синергизма. Синергетика — это наука, изучающая саморегуляцию в системах с внутренними обратными связями. В случае композита — это влияние волокна на матрицу и матрицы на волокно. При растяжении пучка волокон без матрицы разрыв волокна уменьшает их количество, и удельная нагрузка на оставшиеся волокна увеличивается. Если волокна находятся в упругой или пластичной матрице, то при разрыве волокна его части при растяжении вытаскиваются из матрицы (рис. 1 б). Упругая деформация матрицы, или ее пластическое течение сдавливает разорванные части волокна, и оно еще в какой-то мере продолжает действовать подобно коротким волокнам.

а — нагрузка на целое волокно; б — нагрузка на разорванное волокно

Таким образом, основная цель построения конструкционного композита— сохранение прочности волокон в его матрице. Основную же цель построения неконструкционных композитов в общем виде можно сформулировать как улучшение заданного свойства по сравнению с этим же свойством матрицы и волокна в отдельности.