Виды композитов

COMPOSITIO на латыни составление.

Многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической, или другой основы-матрицы, армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных и других частиц получили название КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы-связующего, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц - полиматричные композиционные материалы, или наполнителей различной природы - гибридные композиционные материалы, значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов.

Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов. По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые - армированы волокнами и нитевидными кристаллами, слоистые - армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями, дисперсноармированные, или дисперсноупрочненные - с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц.

Матрица в композиционном материале обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло, влаго, огне, хим. стойкость. По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические. и другие композиты.

Наибольшее применение в технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами.

К ним относят:

Полимерные композиционные материалы на основе термореактивных, эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиамидных и других термопластичных связующих.
Армированные стеклянными волокнами - стеклопластики, углеродными - углепластики, органическими волокнами- органопластики, борными - боропластики и др. волокнами.
Металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой.
Композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами - углерод-углеродные материалы.
Композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими волокнами и SiC.

При использовании углеродных, стеклянных, карамидных и борных волокон, содержащихся в материале в количеве 50-70%, созданы композиции с ударной прочностью и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и др. свойствам. Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С.

Армирование проволокой из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе Ni, Cr, Co, Ti и их сплавов. Жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350 °С. При изготовлении металлических волокнистых композиционных материалов нанесение металлической матрицы на наполнитель осуществляют в основном из расплава материала матрицы, электрохимическим осаждением или напылением. Формование изделий проводят методом пропитки каркаса из армирующих волокон расплавом металла под давлением до 10 МПа или соединением фольги матричного материала с армирующими волокнами с применением прокатки, прессования, экструзии при нагревании до температуры плавления материала матрицы. Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых композиционных материалов - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе Ni и Со.

Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80С.

Композиционные материалы на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, химической стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000 °С в инертной среде. Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости. Армирование дисперсными металлическими частицами позволяет создать керамико-металлические материалы керметы, обладающие повышенной прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам. При изготовлении керамических композиционных материалов обычно применяют горячее прессование, прессование с последующим спеканием, шликерное литье. Армирование материалов дисперсными металлическими частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с последующей обычной переработкой слитков в изделия. Введение, ТhO2 или ZrO2 в сплав позволяет получать дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой при 1100-1200 °С ,предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов в тех же условиях -1000-1050 °С.

Перспективное направление создания высокопрочных композиционных материалов-армирование материалов нитевидными кристаллами -"усами", которые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. Практический интерес представляют кристаллы Аl2О3, BeO, SiC, B4C, Si3N4, AlN и графита диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм.

Используют наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока. Композиционные материалы на основе эпоксидной матрицы и нитевидных кристаллов ThO2 30% по массе имеют раст 0,6 ГПа, модуль упругости 70 ГПа. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрических и магнитных свойств.

Выбор и назначение композиционных материалов во многом определяются условиями нагруженности и температурой эксплуатации детали или конструкции.

Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластичных полимеров обеспечивает широкий выбор композиционных материалов для работы в диапазоне от отрицательных температур до +100 +200°С - для органопластиков, до +300 +400 °С - для стекло, угле и боропластиков. Полимерные композиционные материалы с полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до +120 +200°, с феноло-формальдегидной - до +200 +300 °С, полиамидной и кремнийорганической до 250-400°С.

Металлические композиционные материалы на основе Аl, Mg и их сплавов, армированные волокнами из В, С, SiC, применяют до +400 =500°С; композиционные материалы на основе сплавов Ni и Со работают при температуре до 1100-1200 °С, на основе тугоплавких металлов и соединений до +1500 +1700°С, на основе углерода и керамики - до 1700-2000 °С. Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, антифрикционных, радио , электротехнических и других материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции.

Все виды композиционных материалов применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения , в оборонной промышленности.