1.1. Композиты с металлической матрицей

В качестве матрицы часто применяют цветные металлы – алюминий, магний, никель, или их сплавы. Структура композитов зависит от используемого наполнителя. Различают следующие виды структур (рис.1):

• зернистую (рис.1, а);

• волокнистую (рис.1, б);

• слоистую с непрерывной укладкой волокон наполнителя (рис.1, в);

• тканевую (рис.1, г);

• объемную (рис.1, д).

Рис.1. Схемы структур композиционных материалов с металлической матрицей:

а– зернистая;б– волокнистая;в– слоистая с непрерывной укладкой волокон;

г– тканевая;д– с объемной укладкой волокон

В волокнистых композитах наполнитель является упрочнителем. Если отношение длины волокна к его диаметру L/d = 10…10³, то волокнистые композиты называют дискретными. Дискретные волокна расположены в матрице хаотично, причем, чем больше величина отношения L/d, тем выше степень упрочнения. Если L/d → ∞, то композиты будут с непрерывным волокном.

Для алюминиевых и магниевых волокнистых композитов применяют волокна борные, углеродные, из карбидов кремния, а также из карбидов, нитридов и оксидов тугоплавких металлов и высокопрочной стали. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния, борида титана. Для жаропрочных никелевых волокнистых композитов используют волокна из вольфрамовой или молибденовой проволоки.

От обычных сплавов волокнистые композиты отличаются высокими прочностными показателями, пониженной склонностью к трещинообразованию и высокой удельной прочностью. Их прочность определяется свойствами волокон. Матрица скрепляет волокна и распределяет напряжения между ними. При этом механические свойства волокнистых композитов вдоль волокон значительно лучше, чем в поперечном направлении.

Волокнистые композиты малопластичны, однако, скорость распространения трещин в них настолько мала, что практически исключается возможность их внезапного разрушения. Еще одна их особенность – малая скорость разупрочнения во времени. Недостатком таких композитов является также относительно низкое сопротивление межслойному сдвигу, однако это сопротивление значительно выше у волокнистых композитов с объемной укладкой волокон.

В отличие от волокнисты, в диспесноупрочненных композитах матрица является основой, воспринимающей нагрузку, тогда как дисперсные частички, являющиеся наполнителем, тормозят движение дислокаций в матрице. Наиболее оптимальным является размер частичек 10…15 нм и расстояние между ними 100…150 нм при равномерном распределении частиц. Подобные композиты можно получить на основе практически всех применяемых в технике металлов и сплавов, например, САП – спеченный алюминиевый порошок. В САП матрицей является алюминий, а наполнителем – мелкие частички оксида алюминия Al₂O₃ (6 – 8 %). С увеличением содержания Al₂O₃ повышается предел прочности САП на растяжение и уменьшается относительное его удлинение.

1.2. Композиты с неметаллической матрицей

В качестве матрицы у таких композитов часто применяют следующие материалы:

• полимерные (эпоксидная, фенолформальдегидная, полиамидная и другие смолы),

• углеродистые,

• керамические.

Упрочнителями служат волокна:

• стеклянные,

• углеродные,

• борные,

• органические,

• на основе нитевидных кристаллов (оксиды, бориды, карбиды, нитриды),

• металлическая проволока.

Свойства композитов зависят от состава композиции, сочетании компонентов, прочности связей между ними. Свойства матрицы определяют прочность композита на сдвиг и сжатие, сопротивление усталостному изнашиванию. Свойства упрочнителя определяют, в основном, прочность и жесткость материала.

В лабораторной работе рассмотрим профилированные изделия из армированного стеклопластика.

Специалисты прогнозируют: со временем этот материал заменит и дорогостоящий металл, и подверженную гниению древесину. Он не имеет аналогов и отличается от традиционных материалов более высокими свойствами и качествами:

• улучшенные физико-механические характеристики,

• низкий удельный вес (в 4 раза легче стали),

• высокая коррозионная и биологическая стойкость,

• высокая стойкость к атмосферным воздействиям, ультрафиолетовому излучению и водной среде,

• низкий тепловой коэффициент линейного расширения,

• широкий диапазон рабочих температур от -60 до +80⁰С,

• сейсмостойкость – 100 % упругое восстановление после деформации, устойчивость к ветровым нагрузкам при скорости ветра до 300 км/час,

• и т.д.

Области применения: строительство, ЖКХ, ТНП, энергетика, медицина, химическая промышленность и т.д.

Пултрузионный стеклопластик – уникальный композиционный материал XXI века со сроком службы не менее 50 лет.