Классификация композиционных материалов. Понятие композиционного материала. Компоненты композитов. Виды композиционных материалов.

Композиционные материалы представляют собой многофазные системы, которые состоят из двух или более компонентов, сохраняющих индивидуальность (структуру и свойства) своего вещества в составе композита.

*По происхождению-различают природные, искусственные и синтетические композиционные материалы. Природные композиты находятся в готовом виде на Земле или в космосе. Искусственные и синтетические композиты являются продуктом трудовой деятельности человека.

*По назначению-композиты подразделяются на две большие группы – материалы общетехнического и специального назначения. Первые предназначены для восприятия и передачи механической нагрузки. Из них изготавливают элементы конструкций. Вторые (тоже могут быть конструкционными) выполняют в составе изделий специальные функции: снижение трения и изнашивания подвижных сопряжений, защита от коррозии металлических деталей; звуко- и теплоизоляция и т.п.

*По материалу матрицы различают:

-полимерные композиты (термопластичные, на основе реактопластов, на основе смесей полимеров);

-металлические композиты (в том числе, получаемые методом порошковой металлургии, и сплавы, состоящие из макронеоднородных фаз)

-керамические и другие неорганические композиты (на основе неорганических полимеров, на минеральной, углеродной, оксидной и других неорганических матрицах);

-комбинированные (полиматричные) композиты.

Матрица придает изделию из композита заданную форму и монолитность, обеспечивает передачу и распределение нагрузки в объеме материала, защищает армирующие элементы от внешних воздействий. Тип матрицы в наибольшей мере определяет диапазон рабочих температур, коррозионную стойкость, электрические свойства, теплофизические характеристики, кинетические закономерности старения, технологию изготовления и важнейшие эксплуатационные характеристики композиционного материала и изделий из него.

*По природе компонентов,вводимых в матрицу, композиты подразделяются на группы, соответствующие признакам модифицирующих компонентов. Номенклатура последних очень широка и включает практически все технические материалы. Поэтому классификация композитов по этому признаку имеет иерархическую структуру. Первой ступенью в ней является разделение композитов на наполненные и армированные. Наполненные композиты содержат в матрице наполнители – дисперсные (т.е. раздробленные, мелкие) частицы неорганических и органических веществ, которые могут находиться в любой фазе. Наполнители выполняют в композитах следующие функции: 1) изменяют механические показатели композитов и придают им специальные свойства (электрическую проводимость, химическую стойкость, звукопоглощение и т.д.); 2) улучшают технологичность композитов, т.е. их приспособленность к переработке в изделия (например, антифрикционные компоненты улучшают прессуемость порошковых смесей; пластификаторы увеличивают смачивание связующим порошковых частиц; активные добавки усиливают адгезию компонентов и т.п.); 3) снижают стоимость изделий, т.к. наполнители (например, газовые включения, песок, каолин и др.), как правило, дешевле связующих.

Армированные композиты имеют в составе армирующие элементы (арматуру) более прочные, чем матрица. Как правило, это – длинномерные компоненты, которые при эксплуатации композита воспринимают значительную часть приложенной к нему механической нагрузки.

По размеру фазовых включений разработчики материалов изначально отличали композиты от однородных по структуре материалов. Типичным признаком композита являются различимые в его структуре невооруженным глазом разнородные включения.

По признакам структуры- различают дисперсно-наполненные, волокнистые, слоистые, каркасные и комбинированные композиты.

Дисперсно-наполненные композиты состоят из непрерывной матрицы, в которой распределена дисперсная фаза в виде твердых частиц (порошка, коротких волокон, микросфер и т.п.) либо включений жидкости или газа.

 

Композиционные материалы на полимерной матрице. Структура и свойства. Области применения.

Композиционные материалы на полимерной матрице (КПМ) содержат полимерное связующее (матрицу), которое объединяет все компоненты материала в единую структуру и обусловливает их совместную работу в составе КПМ.

Свойства конструкционных ПКМ определяются свойствами основных компонентов – матрицы и арматуры. Наиболее прочные композиты на основе фенольных смол, эпоксидных и полиэфирных смол; максимально химически стойкие ПКМ на основе полиэтилена, полипропилена и фторопласта. Сочетание эпоксидных, полиэфирных и меламиноформальдегидных смол с синтетическими тканями, волокнами и бумагой дает легкие материалы, устойчивые к вибрационным и ударным нагрузкам, водостойкие и сохраняющие герметичность в условиях сложного нагружения. ПКМ на основе эпоксидных смол, армированных УВ, борными волокнами или НК, являются наиболее высокомодульными полимерными композиционными материалами, по удельной жесткости в несколько раз превосходящими металлы. Матрицами КПМ могут быть любые органические полимеры. В качестве наполнителей и армирующих компонентов КПМ используют материалы в любой фазе.Свойства ПКМ зависят от вида применяемых волокон. К органическим волокнам относят волокна на основе араматических полиамидов (арамидов). Высокопрочные и высокомодульные арамидные волокна обладают уникальным комплексом свойств, высокими прочностью и модулем упругости, термостабильностью, позволяющей эксплуатировать их в широком интервале температур.

 

Технология получения изделий на основе керамических композиционных материалов. Компоненты керамических композиционных материалов. Методы получения керамических порошков. Области применения керамических композиционных материалов.

Матрицы керамических композиционных материалов (ККМ) получают спеканием неметаллического минерального сырья (глин, оксидов и других природных соединений). По виду сырья различают ККМ на матрице из оксидной (технической) керамики, основу которой составляют оксиды металлов (Al2O3, ZrO2, CaO, MgO, UO2 и др), и из безоксидной керамики – на основе безкислородных соединений типа карбидов (МеС), боридов (МеВ), нитридов (МеN), силицидов (МеSi). По структурным признакам ККМ подразделяют на следующие основные группы: дисперсные, армированные, эвтектические, слоистые. Дисперсные ККМ состоят из керамической матрицы и распределенных в ней частиц наполнителя. Армированные ККМ содержат усиливающие элементы (арматуру) чаще всего, волокнистые, расположенные в матрице произвольно или ориентировано. В качестве арматуры применяют проволоку и сетки различного плетения на основе углеродистых, нержавеющих и мартенситостареющих сталей. Высокопрочные материалы армируют проволокой из титана, бериллия, вольфрама, молибдена. Широко используют наполнение ККМ волокнами на основе бора, карбида кремния, борсика (В/SiС), углеродными и стеклянными. Развивается технология получения керамических волокон, которые применяют в качестве компонентов теплозащитных и жаропрочных ККМ. Сырьем для таких волокон обычно служат Al2O3, TiC, Al2O3×Cr2O3, SiO2. Все чаще применяют армирование ККМ нитевидными кристаллами, которые получены направленной кристаллизацией Al2O3, SiC, AlN, TiO2 и других соединений.

Эвтектические ККМ, чаще всего, металл-оксидные, формируются в процессе направленной кристаллизации эвтектик. Они состоят из керамический матрицы, в которой распределены выращенные в ней армирующие монокристаллы металла. Эвтектические ККМ более устойчивы при повышенных температурах, чем дисперсные. Слоистые ККМ состоят из компонентов, расположенных в виде слоев различного состава. В состав таких материалов часто вводят металлическую фольгу. Разработана группа гранулослоистых ККМ, содержащих гранулы различных модификаторов, расположенных послойно в керамической матрице.