Классификация композиционных материалов

П о п р о и с х о ж д е н и ю различают природные, искусственные и синтетические композиционные материалы. Природные композиты находятся в готовом виде на Земле или в космосе (стволы и стебли растений, кости человека, гранит, некоторые метеориты). Искусственные и синтетические композиты являются продуктом трудовой деятельности человека.

П о н а з н а ч е н и ю 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.

П о м а т е р и а л у м а т р и ц ы 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.

П о п р и р о д е к о м п о н е н т о в, вводимых в матрицу, композиты подразделяются 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. С помощью наполнителей прочность матрицы можно увеличить в 1,5-2,0 раза, а путем армирования – на порядок и более. Кроме того, армирующие элементы могут придавать композитам тепло- и электропроводность, а также такое специфическое свойство, как радиопоглощение (способность поглощать электромагнитные волны радиодиапазона), анизотропию механических и других свойств, создавать необычную структуру поверхностного слоя и т.д. Вклад армирующих компонентов (волокна, нити, ткани, листовые материала, объемные волокнистые или пористые элементы и др.) в свойства композитов нередко является определяющим. Поэтому в названиях композитов часто находит отражение химическая природа арматуры – графитопласты, металлокерамика, стекловолокниты и т.п.

П о ф о р м е н а п о л н и т е л я разделяют на тр основные группы: нуль-мерные (частицы очень малых размеров); одномерные (волокна) и двумерные (пластины, листы, ткань).

П о п р и з н а к а м с т р у к т у р ы 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.) – нуль-мерные наполнители. Частицы дисперсной фазы могут быть расположены в матрице хаотически, но чаще их стараются разместить в определенном порядке. При хаотическом расположении частиц материалы изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях. Если наполнитель ориентирован в матрице определенным образом, то композиты анизотропны - их свойства зависят от направления. Анизотропия, «проектируемая» в композиционных материалах с целью придания изделиям определенных свойств, называется конструкционной.

Волокнистые композиты – материалы с непрерывной матрицей, соединяющей длинные волокна. При хаотическом расположении волокон композиты анизотропны. Ориентированная укладка волокон приводит к изотропии свойств.

Волокнистые композиты характеризуются повышенной трещиностойкостью. Волокнистые композиты сохраняют работоспособность даже при накоплении значительных повреждений.

Слоистые композиты - материалы, состоящие из листовых или расположенных послойно волокнистых компонентов, скрепленных между собой с помощью связующего.

Композит может быть образован слоями ткани или нетканого волокнистого материала, состоять из листовых (бумага, фольга, пленка) компонентов. Регулированием расположения нитей в тканях можно улучшить прочностные и некоторые другие свойства композитов,

Каркасные композиты – материалы, состоящие из двух или более непрерывных фаз. Непрерывная трехмерная армирующая фаза чаще всего состоит из семейств ориентированных волокон, которые расположены, например, во взаимно перпендикулярных направлениях. Подобный каркас может быть образован не только тремя, но и n семействами волокон. Еще один типичный каркасный композит - пористая матрица, пропитанная жидким отверждающимся компонентом

Комбинированные композиты имеют признаки, дающие основания отнести их к нескольким структурным типам композиционных материалов. Полиармированный композит содержит два или более различных по природе и (или) структуре армирующих элемента, например, его матрица может быть наполнена и армирована.

П о м е т о д а м п о л у ч е н и я композиты подразделяют на классы в зависимости от нескольких признаков.

Наиболее общей является классификация по фазовому состоянию компонентов во время их соединения в композиционный материал. Компоненты могут находиться в твердой или жидкой фазах, могут быть осаждены с помощью газофазных процессов, связаны в композит с применением вязкотекучего состояния одной или нескольких фаз, наконец, композит может быть сформирован путем комбинирования названных состояний компонентов.