22. Композиционные материалы. Материалы порошковой металлургии: пористые, конструкционные, электротехнические
22.1 Композиционные материалы
Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.
Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку.
Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей.
Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой (см. рис. 22.1).
а |
б |
Рисунок 22.1 – Схемы полиматричного (а) и полиармированного (б) композиционных материалов: 1 – матрица I; 2 – матрица II; 3 – волокно I; 4 – волокно II. |
|
Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.
В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред. Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу.
Вместо термина армирующий компонент можно использовать термин наполнитель. Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице, природе компонентов.
По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы (см. рис. 22.2):
- с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
- с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;
- с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.
а |
б |
в |
Рисунок 22.1 – Схемы наполнителей: нуль-мерный (а); одномерный (б); двумерный (в). |
||
По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов (рис. 22.2):
- с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов параллельно друг другу;
- с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
- с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.
а |
б |
в |
Рисунок 22.2 – Схемы армирования: линейное (а), плоское (б), объемное (в) |
||
Схема армирования также зависит и от назначения изделия, т.е. от основных типов нагружения и напряженного состояния материала детали (рис. 22.3).
а |
б |
в |
г |
д |
е |
ж |
з |
Рисунок 22.3 – Схемы армирования изделий: хаотическая (корпусные детали) (а); слоистая (емкости) (б); розеточная (электротехника) (в); сложная ортогональная (высоконагруженные, ответственные детали) (г-з). |
|||
По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:
- композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;
- композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
- композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
- композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.
Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений.