Классификация композиционных материалов

 

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе компонентов.

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяют на три группы рис.1.:

· с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;

· с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит два других;

· с двухмерными наполнителями, размеры которых значительно превосходят третий.

Рис.1. Классификация наполнителей по форме:

а – нуль-мерные; б – одномерные; в – двумерные

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

· с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;

· с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя в виде волокон, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;

· с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его распределении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

• компонент из металлов или сплавов;

• компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;

• компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;

• компонент из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).

В названную классификацию не вошли комбинированные матрици, состоящие из чередующихся слоев (двух или более) различного химического состава - полиматричные композиты (рис. 8.14).

В одной матрице композиционного материала может быть несколько различных наполнителей, дополняющих свойства друг друга. Такие композиты называются полиармированными (рис. 8.15).

 

Рис. 8.14. Схема полимат- Рис. 8.15. Схема полиар-

ричного композиционного мированного композици-

материала онного материала

 

Современные композиты не только имеют широкий спектр физико-механических свойств, но и способны к направленному их изменению, например, повышению вязкости разрушения, регулированию жесткости, прочности и других свойств. Эти возможности расширяются при применении в композитах волокон различной природы и геометрии, т.е. при создании гибридных композитов. Для таких материалов характерно проявление синергетического эффекта - согласованного совместного действия нескольких факторов в одном направлении. Поэтому свойства композитов обычно описываются неаддитивной концентрационной зависимостью от значений свойств компонентов.

 

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Обычно компоненты для композиционного материала выбирают со свойствами, существенно отличающимися друг от друга.

Композиционные материалы по сравнению с современными конструкционными материалами обнаруживают более высокую удельную жесткость (Е/ρ) и удельную прочность (σ_в/ρ) (рис. 16.1.)

Модуль упругости композиционных материалов может изменяться в требуемом направлении в зависимости от схемы армирования.

Рис. 16.1. Удельная прочность и удельный модуль упругости: алюминия (1),

стали и титана (2), стеклопластиков (3), бериллия (4)

и некоторых композиционных материалов

 

Высокая надежность в работе конструкций из композиционных материалов связана с особенностями распространения в них трещин. В обычных сплавах трещина развивается быстро и скорость роста ее в период работы конструкции детали возрастает. В композиционных материалах трещина обычно возникает и развивается в матрице и встречает препятствия на границе матрица — упрочнитель. Армирующий элемент тормозит ее распространение, задерживая на некоторое время ее рост.