СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Состав и строение композита

Механические и другие свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью упрочняющих ком­понентов, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе мат - рица-упрочнитель. Соотношение этих параметров характеризует весь комплекс механических свойств материала и механизм его раз­рушения. Работоспособность композита обеспечивается как пра­вильным выбором исходных компонентов, так и рациональной тех­нологией производства, обеспечивающей сохранение их первона­чальных свойств.

Многообразие упрочняющих и матричных материалов, а также схем армирования позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и др.

Для волокнистых композиционных материалов существует не­сколько классификаций, например материаловедческий (по природе компонентов); конструктивный (по типу арматуры и ее ориентации в матрице). Можно выделить несколько больших групп композитов: с полимерной матрицей (пластики), с металлической матрицей (ме- таллокомпозиты), с керамической матрицей и матрицей из углерода.

В зависимости от природы армирующих волокон различают следующие композиты, например, на полимерной матрице: стекло­пластики, углепластики, боропластики, органопластики и т. д. То же и на других матрицах.

Различают композит и от способов армирования: компактно об­разованные из слоев, армированных параллельно-непрерывными волокнами, армированные тканями с хаотическим и пространствен­ным армированием.

В зависимости от вида армирования композиты могут быть раз­делены на две группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, ко­торые отличаются структурой и механизмом образования высокой прочности.

Дисперсно-упрочненные композиты представляют собой ма­териал, в матрице которого равномерно распределены мелкодис­персные частицы, оптимальное их содержание 2-4%. Но эффект упрочнения связан с размерами частиц и их сближением, т. е. кон­центрацией. Например, при упрочнении мелкими частицами d = 0,001-0,1 мкм объемная концентрация может доходить до 15%; при частицах более 1,0 мкм объемная концентрация может быть 25% и более. При этом повышается прочность, твердость, теплостойкость, сохраняется эластичность (например, матрица — битум, каучук, полимер; упрочняющие частицы — мел, слюда, углерод, кремнезем, известняк). В таких материалах при нагруже­нии всю нагрузку воспринимает матрица.

В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспри­нимают основные напряжения при внешних нагрузках и обеспечи­вают жесткость и прочность композита. Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределе­нии волокон в пластичной матрице, объемная доля их может дости­гать 75% и более.

Армирующие волокна должны удовлетворять комплексу экс­плуатационных и технологических требований. К первым относятся требования по прочности, жесткости, плотности, стабильности свойств в определенном температурном интервале, химической стойкости и т. п.

Теоретическая прочность материалов возрастает с увеличением модуля упругости и поверхностной энергии вещества и падает с уве­личением расстояния между соседними атомными плоскостями (см. табл. 1.3 и формулу (1.28)).

Таким образом, высокопрочные твердые тела должны иметь вы­сокие модули упругости и поверхностную энергию и возможно большее число атомов в единице объема. Этим требованиям удовле­творяют бериллий, бор, углерод, азот, кислород, алюминий и крем­ний. Наиболее прочные материалы всегда содержат один из этих элементов, а зачастую состоят только из этих элементов.

При создании волокнистых композитов применяются высоко­прочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки, а также волокна и нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и других соединений. Арматурные компоненты в композитах применяются в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов.

К технологическим требованиям относятся такие, которые дают возможность создания высокопроизводительного процесса изготов­ления изделий на их основе. Важным требованием также является совместимость волокон с материалом матрицы, т. е. возможность достижения прочной связи волокно-матрица при сохранении исход­ных значений механических свойств компонентов.

Зависимости между деформациями и напряжениями различны в изотропных и анизотропных материалах. В изотропном упругом теле главные оси напряжений и деформаций совпадают, в анизотроп­ном — нет. Если упрочнитель представляет собой уложенную в оп­ределенном порядке систему волокон, то модули упругости компо­зита в различных направлениях могут существенно различаться. В таких анизотропных телах каждая компонента (матрица и упрочни­тель) деформированного состояния зависит от каждой из компонент напряженного состояния. Следовательно, в анизотропном теле глав­ные оси напряженного и деформированного состояний не совпада­ют.

Композиты с однонаправленной укладкой волокна называются монотропными (рис. 2.1). В монотропных композитах модули упру­гости и коэффициенты Пуассона имеют различные значения в на­правлении осей. Наиболее характерным видом анизотропии для композитов является ортотропия, обладающая симметрией относи­тельно трех взаимно перпендикулярных плоскостей. Здесь, в зави­симости от монотропии, оси Хи Y неравномерны.

Матричные материалы. Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение ар­мирующих волокон, распределяет действующие напряжения по объ­ему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении частиц волокон. Материал мат­рицы определяет метод изготовления изделий, возможность выпол­нения конструкций заданных габаритов и формы, а также параметры технических процессов и т. д. Требования, предъявляемые к матри­цам, можно разделить на эксплуатационные и технологические. К эксплуатационным относятся требования, связанные с механи­
ческими и физико-химическими свойствами материала матрицы, обеспечивающими работоспособность композиции при действии различных эксплуатационных факторов. Технологические тре­бования определяются процессами получения композита, т. е. со­вмещения армирующих волокон с матрицей и окончательного фор­мирования изделия.

Целью технологических операций является обеспечение равно­мерного распределения волокон в матрице (без касания между со­бой) при заданном их объемном содержании; максимально возмож­ное сохранение свойств волокон, главное - прочности; создание дос­таточно надежного взаимодействия на границе волокно-матрица.

Границы раздела. В первую очередь адгезионное (склеиваю­щее) взаимодействие волокна и матрицы определяет уровень свойств композитов и их работу при эксплуатации. Локальные напряжения в композите достигают максимальных значений вблизи или непосред­ственно на границе раздела, где обычно и начинается разрушение материала. Граница раздела должна обеспечивать эффективную пе­редачу нагрузки от матрицы на волокна. Адгезионная связь по гра­нице раздела не должна разрушаться под действием термических и усадочных напряжений вследствие различия в температурном коэф­фициенте линейного расширения матрицы и волокна или в результа­те химической усадки связующего при его отвердении. Защита воло­кон от внешнего воздействия также в значительной степени опреде­ляется адгезионным взаимодействием по границе раздела.