Композитные материалы

Постоянно повышающиеся нагрузки на современные образцы вооружения, космические корабли, самолеты, ракеты, глубоководные аппараты, сосуды высокого давления и многие другие изделия выдвигают такие требования, которым в наилучшей степени удовлетворяют композиционные материалы, а часто только эти материалы.

Под композиционным материалом понимают сочетание двух или более химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними.

Композитные материалы Волгоград

Любой композитный материал состоит из двух основных составных частей: матрицы и наполнителя. Матрица (или связующее) обычно пластична или упруга. Более или менее равномерно и упорядоченно ее заполняет второй, упрочняющий компонент - наполнитель (упрочнитель или арматура). Каким бы ни был наполнитель, важно, чтобы он был прочно сцеплен с матрицей (адгезия), только тогда материал будет хорошо сопротивляться повышенным внешним нагрузкам.

Композиционные материалы чрезвычайно разнообразны, их можно классифицировать по различным признакам: по виду матрицы, по форме и природе наполнителя. Рассмотрим природу высокой прочности КМ на примере волокнистого (одного из самых прочных и распространенных) материала.

Жесткие армирующие волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придавая ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Податливая матрица, заполняющая межволоконное пространство, передает напряжение отдельным волокнам благодаря касательным напряжениям, действующим вдоль границы раздела «волокно-матрица» и воспринимает напряжения, действующие в направлении, отличном от ориентации волокон.

Станем растягивать образец. Упругая или пластичная матрица будет сопротивляться слабее, чем жесткие волокна. Однако, удлиняясь, волокна уменьшаются в поперечном сечении и, если они прочно сцеплены с матрицей, растягивают ее вещество в поперечном направлении. Таким образом, матрица вносит дополнительный вклад в сопротивление действующим нагрузкам.

При сжатии образца волокна будут увеличиваться в поперечном сечении и давить на матрицу. Сопротивляясь их давлению, матрица и на сей раз поможет им работать против сил, воздействующих на образец. Кроме того, в этом случае матрица не позволяет тонким волокнам потерять устойчивость.

Композитная структура действует как механизм подавления трещин. Наличие поверхностей раздела затрудняет процесс зарождения и роста трещин, является препятствием для движения дислокаций (в металлических композициях), поэтому у КМ более высокое сопротивление усталостному разрушению, чем у традиционных материалов.

Наполнители композитных материалов

Еще одним важным достоинством КМ является относительная дешевизна, т.к. наполнителем зачастую служат даже отходы производства (не всегда, конечно). Например, наполненная пластмасса обычно дешевле ненаполненного пластика. Свойства матрицы определяют уровень рабочих температур композиции, атмосферных и других факторов, режимы получения и переработки материалов.

В качестве матриц используют металлы и сплавы, полимеры, бескислородные и кислородные тугоплавкие соединения, кокс, пироуглерод и т.п. Чаще всего применяют матрицы на основе эпоксидных и полиамидных смол, а для металлических КМ - алюминий, магний, титан и др.

Примеры композиционных материалов: 

  • Стеклопластик - матрица из эпоксидной или фенолформальдегидной смолы, наполнитель - стекловолокно 
  • САП - алюминий, упрочненный частицами оксида алюминия (авиация, ядерная техника, судостроение) 
  • Титановые сплавы, армированные волокнами молибдена или вольфрама.