Композиционные материалы

Состав и строение композита

Композиционными называются материалы образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. Характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности.

К композитам можно отнести многие строительные материалы: бетон и железобетон, строительные растворы, фибробетон, асбестоцемент, ДВП, ДСП, МДФ и др. Они не обладают прочностью истинных композитов, но в принципе состоят из тех же компонентов: матрицы и упрочнители. Теория композиционных материалов заключается прежде всего в понимании композита как системы с несколькими структурными уровнями, скомпонованными через поверхности раздела в единый монолит-конгломерат.

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.

Многообразие упрочняющих и матричных материалов, а также схем армирования позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и др.

Для волокнистых композиционных материалов существует несколько принципов классификаций, например, материа- ловедческий и конструктивный. Можно выделить целый ряд 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.

Различают композиты и от способов армирования: компактно-образованные из слоев, армированных параллельнонепрерывными 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.

Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы, оптимальное их содержание 2-4%. Но эффект упрочнения связан с размерами частиц и их сближением, т. е. концентрацией. Например, при упрочнении мелкими частицами d = 0,001-^0,1 мкм объемная концентрация может доходить до 15%; при частицах более 1,0 мкм объемная концентрация может быть 25% и более. При этом повышается прочность, твердость, теплостойкость, сохраняется эластичность (например, матрица — битум, каучук, полимер; упрочняющие частицы —- мел, слюда, углерод, кремнезем, известняк). В таких материалах при нагружении матрица воспринимает действующую нагрузку.

В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения при внешних нагрузках и обеспечивают жесткость и прочность композита. Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении волокон в пластичной матрице, объемная доля их может достигать 75% и более.

Высокопрочные твердые тела должны иметь высокие модули упругости и поверхностную энергию и возможно большее число атомов в единице объема. Этим требованиям удовлетворяют бериллий, бор, углерод, азот, кислород, алюминий и кремний. Наиболее прочные материалы всегда содержат один из этих элементов, а зачастую состоят только из этих элементов.

При создании волокнистых композитов применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки, а также волокна и нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и других соединений. Арматурные компоненты в композитах применяются в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов.

Матричные материалы. Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, распределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении частиц волокон. Материал матрицы определяет метод изготовления изделий, возможность выполнения конструкций заданных габаритов и формы, а также параметры технических процессов и т. д.

Границы раздела. Адгезионное взаимодействие волокна и матрицы определяют уровень свойств композитов и их работу при эксплуатации. Локальные напряжения в композите достигают максимальных значений вблизи или непосредственно на границе раздела, где обычно и начинается разрушение материала.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >