Матричные материалы (связующие)

Матрица является важнейшим компонентом композита. В КМ они служат для соединения армирующих волокон, обеспечения эффективной совместной работы армирующих волокон при различных видах нагрузок, защиты волокон от самоабразивных процессов и воздействия окружающей среды. От матрицы зависит прочность КМ при работе в направлениях, не совпадающих с направлением волокон; от того, насколько качественно будет пропитан армирующий материал, зависит последующая работа изделия в целом. Природа матрицы определяет уровень рабочих температур композита, характер изменения свойств при воздействии атмосферных и других факторов. С повышением температуры прочностные и упругие характеристики матричных материалов, также как и прочность их соединения со многими типами волокон, снижаются. После достижения некоторого температурного предела происходит резкое возрастание пластических деформаций, ухудшается несущая способность композита, особенно при сжатии и сдвиге. Матрица также характеризует устойчивость материала к воздействию внешней среды, химическую стойкость, частично теплофизические, электрические и другие свойства.

Технологические требования к матрице определяются осуществляемыми обычно одновременно процессами получения композита и изделия из него. Суть этих процессов заключается в совмещении армирующих волокон с матрицей и в окончательном формообразовании изделия. Цель проводимых технологических операций – обеспечение равномерного (без касания между собой) распределения волокон в матрице, при заданном их объемном содержании; максимально возможное сохранение прочностных свойств волокон; создание достаточно прочного взаимодействия на границе раздела волокно – матрица. В связи с этим выдвигают определенные требования к материалу матрицы: хорошее смачивание волокна жидкой матрицей в процесе пропитки; возможность предварительного изготовления полуфабрикатов (например, препрегов) с последующим изготовлением из них изделий; качественное соединение слоев композита в процессе формования; невысокая интенсивность параметров окончательного формообразования (например, температуры и давления); обеспечение высокой прочности сцепления матрицы с волокном, небольшая усадка и т.д.

Металлические матрицы. Металлические матрицы волокнистых композитов представляют собой легкие (алюминий, магний, бериллий) и жаропрочные (титан, никель, ниобий) металлы, а также сплавы.

Наиболее широко в качестве матричного материала используют алюминиевые сплавы, что объясняется удачным сочетанием в них физико-механических и технологических свойств. На сегодняшний момент наиболее распространены боралюминиевые и графитоалюминиевые КМ, и до настоящего момента не получили широкого распространения, хотя по некоторым показателям демонстрируют высокие результаты по сравнению с традиционными материалами и другими видами композиционных материалов. Благодаря их повышенной по сравнению с другими КМ жесткости при сжатии образца, внедренные в него волокна испытывают наименьший изгиб по сравнению с остальными видами КМ.

Возможно использование магниевых и титановых матриц. В качестве матричных материалов используют магниевые сплавы марок МА2-1, МА5, МА8 и некоторые другие. Основные механические характеристики этих сплавов: σ (предел прочности при растяжении) = 250...310 Мпа, E (модуль упругости при растяжении в направлении армирования) = 37...43 Гпа, ε (предельная деформация) = 8...15 %. Титановые матрицы обладают хорошей технологичностью при горячем деформировании, свариваемостью, способностью длительно сохранять высокие прочностные характеристики (360...1050 МПа) при повышенных температурах (300...450 ºС). Однако, эти материалы сохраняют высокое сопротивление деформации даже при повышенных температурах, что приводит к необходимости при получении композитов с хрупкими волокнами использовать режимы сверхпластического деформирования.(табл. 2.1)