Sammas - композиційні матеріали

Композиційний матеріал (композит, від латинського compositio - складання) - являє собою, складну багатокомпонентну штучну структуру, що складається з матриці (сполучного) і армуючого наповнювача. з чітко розділяє їх кордоном, при цьому отриманий матеріал характеризується властивостями, яких немає ні у одного, взятого окремо, використовуваного компонента і використовує переваги кожного з них.

Матриця - це компонент, безперервний у всьому обсязі конструкційний матеріал.
Арматура або армуючий елемент - це переривчастий, роз'єднаний в обсязі композиції матеріал. Термін «армирующий» означає «введений в матеріал з метою зміни його властивостей» (не обов'язково «зміцнюючий»).

Армуючі компоненти забезпечують необхідні механічні характеристики матеріалу, а матриця як сполучна речовина, забезпечує їх спільну роботу, об'єднуючи властивості міцності обох компонентів, а також їх захист від механічних пошкоджень і агресивних середовищ. Шляхом підбору складу і властивостей наповнювача і матриці, їх співвідношення, орієнтації наповнювача, можна отримати матеріал з необхідним поєднанням експлуатаційних і технологічних характеристик.

За механізмом зміцнення композити можна розділити на дві групи. В основу зміцнення композитів першої групи покладено принцип армування матриці високоміцними, що несуть навантаження елементами (залізобетон, склопластик і ін.). До другої групи належать дисперсно-зміцнені матеріали. Провідну роль в них відіграє структурний фактор. Роль упрочняющей фази зводиться до полегшення формування субструктури в процесі отримання композиту.

Композит відрізняється від сплаву тим, що в готовому композиті окремі компоненти зберігають властиві їм властивості. Компоненти повинні взаємодіяти на кордоні розділу композиту, проявляючи тільки позитивні нові властивості. Такий результат можна отримати лише в тому випадку, якщо в композиційному матеріалі успішно об'єднані властивості компонентів, тобто при експлуатації композиту повинні виявлятися тільки необхідні властивості компонентів, а їх недоліки повністю або частково знищуватися.

Наприклад, якщо біметалічні смужки латунь-залізо, використовувані в термостатах, зварені один з одним, то при нагріванні такого композиту за рахунок внутрішніх напружень, що виникають через велику різницю в коефіцієнтах лінійного розширення, смужка згинається. Таку смужку, зробивши її елементом вимикача, можна застосовувати для регулювання температури.

Таким чином:
1) отримується композит набуває нові, кращі властивості і, отже, може виконувати додаткові функції (багатофункціональний матеріал);
2) характірістіки композиту краще, ніж у його компонентів, взятих окремо або разом без урахування граничних процесів;
3) дії окремих компонентів композиту завжди проявляються в їх сукупності з урахуванням процесів, що відбуваються на межі поділу фаз.

Активне застосування композитів почалося з початку 70-х років, хоча ідея застосування двох і більше вихідних матеріалів в якості компонентів, що утворюють композиційну середу, існує з тих пір, як люди стали мати справу з матеріалами.

Мета створення композиту - досягти комбінації властивостей, які не притаманні кожному з вихідних матеріалів окремо. Таким чином, композит може виготовлятися з матеріалів, які самі по собі не задовольняють вимогам, що пред'являються. Так як ці вимоги можуть ставитися до фізичних, хімічних, технологічних та інших властивостей, то наука про композитах знаходиться на стику різних областей знання і вимагає участі дослідників різних спеціальностей.

Класифікація композиційних матеріалів

Класифікація композитів може здійснюватися за різними ознаками:

1) за своєю природою компонентів (зазвичай матеріалу матриці). металеві; полімерні; рідкокристалічні; керамічні; інші неорганічні матеріали (вуглець, оксиди, борид і ін.).

Якщо один з компонентів композиту безперервний у всьому обсязі, а інший є переривчастим, роз'єднаним, то перший компонент називають матрицею, а другий - армирующим наповнювачем. Матриця в композиті забезпечує монолітність матеріалу, передачу і розподіл напружень в наповнювачі, визначає тепло-, волого-, вогне- та хімічну стійкість. Є композити, для яких поняття матриці і арматури застосовується, наприклад, для шаруватих композитів, що складаються з чергуються шарів, або для псевдосплавів, що мають каркасне будова. Псевдосплави отримують просоченням пористої заготовки більш легкоплавкими компонентами, їх структура являє собою два взаимопроникающих безперервних каркаса. Зазвичай композити здобувають загальну назву за матеріалом матриці.

2) за структурою композиту. каркасна; матрична; шарувата; комбінована.
До композитам із каркасною структурою відносяться, наприклад, псевдосплави, отримані методом просочування; з матричної структурою дисперсно-зміцнені і волокнисті композити; з шаруватою структурою - композити, складені з чергуються шарів фольги або листів матеріалів різної природи або складу; з комбінованою структурою - включають комбінації перших трьох груп (наприклад, псевдосплави, каркас яких зміцнений дисперсними включеннями - каркасно-матрична структура та ін.).

3) по геометрії армуючих компонентів (наповнювача): порошкові і гранульовані (армовані частками); волокнисті (армовані волокнами, ниткоподібними кристалами, діляться на безперервні і дискретні); шаруваті (армовані плівками, пластинами, шаруватими наповнювачами).

4) за розташуванням компонентів - ізотропні або квазіізотропние (порошкові, дисперсно-зміцнені, хаотично армовані дисперсними частинками, дискретними або безперервними волокнами та ін.); анізотропні (волокнисті, шаруваті з певною орієнтацією армуючих елементів щодо матриці).

Ізотропні матеріали мають однакові властивості в усіх напрямках, анізотропні - різні. До числа ізотропних композитів належать псевдосплави і хаотично армовані матеріали. Зміцнення хаотично армованих композитів здійснюється короткими (дискретними) частками голчастою форми, орієнтованими в просторі випадковим чином. В якості таких частинок використовують відрізки волокон або ниткоподібні кристали (вуса), при цьому композити виходять квазіізотропнимі, тобто анізотропними в мікрооб'ємах, але ізотропним в макрооб'ємів всього вироби.

Анізотропія композиту є конструкційної, вона закладається спеціально для виготовлення конструкцій, в яких найбільш раціонально її використовувати. Можливість управління властивостями новостворюваних матеріалів, особливо добре реалізована при проектуванні гібридних (армованих декількома типами наповнювачів) композитів, робить істотний вплив на вдосконалення технологічного проектування. Наприклад, композити з матричної структурою, зміцнені армирующими елементами, орієнтованими певним чином в просторі, відносяться до впорядковано армованим. Вони підрозділяються на одноосноармірованние або односпрямовані (з розташуванням арматури вздовж однієї осі), двухосноармірованние (з площинним розташуванням арматури) і трехосноармірованние (з об'ємним розташуванням арматури).

Часто композит являє собою шарувату структуру, в якій кожен шар армований великим числом паралельних безперервних волокон. Однак кожен шар можна армувати також безперервними волокнами, виткані в тканину певного малюнка, яка представляє собою вихідну форму, по ширині і довжині відповідну вихідного матеріалу. Розроблені до теперішнього часу геометрії армування дозволили відмовитися від пошарової збірки матеріалу: волокна сплітають в тривимірні структури. У деяких випадках вже на цій стадії можна задати форму виробу з композиту. Вибір серед можливих типів армування здійснюється на основі економічних міркувань і вимог, що пред'являються до роботи виробів.

Традиційно вибір матеріалу і проектування компонентів конструкції були окремими завданнями. Коли композити стали витісняти метали і сплави з таких областей, як літако-, судно- і автомобілебудування, промисловий дизайн і вибір матеріалу з'єдналися і стали просто різними аспектами одного процесу.

Контроль мікроструктури композиту дозволяє найкращим чином врахувати розподіл навантажень, яким буде піддаватися виріб. У той же час в конструкції вироби відіб'ються і відмінні властивості композиту: залежність від орієнтації і складності форми, яку їм можна надати в процесах формування - при пресуванні, прокатці, намотування, армування та ін. Труднощі, що виникають при одночасному конструюванні вироби і його матеріалу, припускають, що промисловий дизайн буде все більше залежати від спільних розробок фахівців різних областей, а також від комп'ютерного моделювання цих робіт. Тільки такий підхід забезпечить повне використання потенційних можливостей композитів в технологіях майбутнього.

Слід зазначити, що поряд з конструкційної анізотропією композиту існують технологічна анізотропія, що виникає при пластичної деформації ізотропних матеріалів, і фізична анізотропія, притаманна, наприклад, кристалів і пов'язана з особливостями будови кристалічної решітки.

5) за кількістю компонентів. поліматричного - використання в одному матеріалі декількох матриць; гібридні (поліармірованние) - використання наповнювачів різної природи.

Композити, які містять два або більше різних за складом або природі типу армуючих елементів, називаються поліармірованнимі або гібридними. Гібридні композити можуть бути простими, якщо армирующие елементи мають різну природу, але однакову геометрію (наприклад, стеклоуглепластік - полімер, армований скляними і вуглецевими волокнами), і комбінованими, якщо армирующие елементи мають і різну природу, і різну геометрію (наприклад, бороалюміній з прошарками з титанової фольги).

6) за методом отримання. штучні; природні.
До штучних відносяться всі композити, отримані в результаті штучного введення армуючої фази в матрицю, до природних - сплави евтектичного і близького до них складу. У евтектичних композитах армуючої фазою є орієнтовані волокнисті або пластинчасті кристали, утворені природним шляхом в процесі спрямованої кристалізації.

У міру створення нових композиційних матеріалів «старі» види класифікації розширюються і можуть виникати нові.