9. Композиционные материалы Классификация композиционных материалов

Композиционными материалами (КМ) называют материалы, созданные из двух и более компонентов, различающихся по химическому составу, разделенные ярко выраженной границей с новыми свойствами, отличающимися от свойств компонентов.

Компонент, непрерывный в объеме КМ, называют матрицей, прерывистый  армирующим элементом.

В зависимости от материала матрицы КМ можно разделить на следующие основные группы: композиции с металлической матрицей  металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной  полимерные композиционные материалы (ПКМ), с резиновой  резиновые композиционные материалы (РКМ) и с керамической  керамические композиционные материалы (ККМ).

Название обычно присваивают в зависимости от армирующего материала. Например, ПКМ, армированные стеклянными волокнами, называют стеклопластиками. Аналогично получили свои названия металлопластики, асбестопластики, углепластики, боропластики и т.д.

По типу арматуры и ее ориентации КМ подразделяют на две основные группы: изотропные и анизотропные.

Изотропные КМ имеют одинаковые свойства во всех направлениях. К этой группе относят КМ с порошкообразными наполнителями и КМ, армированные короткими (дискретными) частицами (в дисперсно-упрочнен-ных КМ), (рис. 4, в).

У анизотропных материалов свойства зависят от направления армирующего материала: однонаправленные (рис. 4, а), слоистые (рис. 4, б) и трехмерно-направленные.

9 .1. Армирующие материалы

Армирующие материалы подразделяют на порошкообразные и волокнистые. Порошковые материалы должны удовлетворять требованиям по химическому составу, размерам и форме отдельных фракций, по технологическим свойствам (насыпная масса, текучесть, прессуемость, спекаемость) при изготовлении изделий порошковой металлургией. Они не должны содержать загрязнений, влаги, масел и других примесей, должны храниться в условиях, исключающих окислительные процессы на поверхности порошковых зерен.

Армирующие волокна, используемые для получения КМ, должны иметь малую плотность, высокую температуру плавления, минимальную растворимость в материале матрицы, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, высокую химическую стойкость, технологичность, отсутствие фазовых превращений в зоне рабочих температур.

Применяют в основном три вида волокон: нитевидные кристаллы, металлическую проволоку, неорганические и поликристаллические волокна.

Нитевидные кристаллы («усы») наиболее перспективный материал для армирования металлов, полимеров, керамики. Они имеют сверхвысокую прочность в широком диапазоне рабочих температур, малую плотность, химическую инертность ко многим материалам матрицы.

Металлическая проволока из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена и других металлов имеет меньшую прочность, чем нитевидные кристаллы, но стоимость ее более низкая, поэтому ее широко применяют в качестве арматуры, особенно для КМ на металлической основе.

Неорганические и поликристаллические волокна имеют малую плотность, высокую прочность и химическую стойкость. Широко применяют углеродные, борные, стеклянные и другие волокна для армирования пластмасс и металлов.

Основное назначение наполнителей  придание КМ специальных свойств. Например, волокнистые наполнители вводят с целью получения максимальных прочностных характеристик.

Из волокнистых КМ изготавливают многослойные ленты, листы, стержни, трубы, профили конструкционного назначения, лопатки турбин, детали для авиации и космической техники.

Жаропрочные КМ изготавливают на основе сплавов никеля и кобальта, упрочненных керамическими (SiC, Si₃Ni₄, Al₂O₃) и углеродными волокнами. КМ применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей, камер сгорания, тепловых экранов, жаростойких труб и т.д.