Композитные (композиционные) материалы. Определения. Общие сведения
1 Композитные (композиционные) материалы
1.1 Определения. Общие сведения
Развитие науки о композитных материалах (КМ) на современном этапе связано прежде всего с применением КМ в ракетной техник и самолетостроении. Традиционные металлические материалы и композиты не отвечают условиям эксплуатации тяжело нагруженных узлов. Для каждой новой конструкции требуется разработка новых материалов.
В качестве примера можно использовать летательный аппарат (США) – «Восточный экспресс». Предполагается, что этот аппарат будет способен взлетать и садиться на обычных аэродромах, но часть его траектории будет проходить за пределами атмосферы. Перелет из США в страны Азии займет менее двух часов. Некоторые элементы конструкции во время набора высоты и снижения будут нагреваться до 1800 0С – и необходимо для таких узлов использовать высокопрочные, легкие, жесткие, высокотемпературные композитные материалы. Области использования КМ – авиация, космонавтика, транспорт наземный и подземный, химическое и энергетическое машиностроение, медицина, спорт, туризм и т.д.
Особенность ситуации связана с тем, что материалы создаются на современном этапе быстрее, чем исследуются их свойства.
Само слово композит – от латинского «compositio» - связывание или составление. Вспомним термины «литературно-музыкальная композиция», «музыкальная композиция», состоящая из различных произведений или их отрывков.
Композиты – материалы, состоящие из двух или более фаз, характеристики которых на макроскопическом уровне (материала в целом) значительно отличаются от свойств составляющих материалов (фаз).
Предполагается, что компоненты в композите хорошо совместимы и не растворяются (не поглощаются) друг в друге.
Композиты характеризуются следующей совокупностью признаков:
Рекомендуемые материалы
1. Материалы имеют искусственное происхождение (хотя и есть понятие биокомпозита, обычно отождествляемое с тканями человека, животных и растений).
2. Материалы состоят из двух или более компонентов (фаз), отличающихся по химическому составу и разделенных явно выраженными границами.
3. Имеют новые свойства, отличные от свойств составляющих их фаз.
4. Неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе.
Ещё посмотрите лекцию "4.1 Причины принятия христианства" по этой теме.
5. Состав, форма и распределение фаз задано заранее.
6. Каждая из фаз представлена в таком количестве, что оказывает влияние на свойства материала в целом.
Одна из фаз обычно представляет собой дискретные жесткие армирующие элементы, которые соединяются между собой другой непрерывной фазой, обычно менее жесткой, называемой матрицей. Термин «армирующий» означает «введенный в материал с целью изменения его свойств», т.е. армирование и упрочнение не всегда связаны. Например, введение графита обычно делается с целью сделать полимерную композицию токопроводящей, введение металлических порошков – для повышения теплопроводности композиции, и т.д.
Свойства композитов определяются как свойствами фаз, так и геометрией и плотностью укладки армирующих элементов. Один и наиболее важных показателей композита – доля армирующих элементов (как правило, используется понятие объемной доли). Распределение армирующих элементов определяет меру однородности материала, тогда как их ориентация – так называемую конструкционную анизотропию свойств материала.
Основные преимущества композитов перед традиционными конструкционными материалами – высокая удельная прочность и жесткость, значительная усталостная долговечность, низкая плотность и приспособленность к назначению конструкции. Кроме того, можно значительно улучшить такие характеристики материала, как износостойкость, коррозионная стойкость, внешний вид, термоизоляция, теплопроводность, звукоизоляция. Неоднородность (гетерогенность) материала и анизотропия его свойств позволяют строить оптимальные структуры композита для конкретных классов изделий.
Первыми примерами научного подхода к созданию композитов являются железобетон и стеклопластики. Так, бетон хорошо воспринимает и выдерживает сжимающие нагрузки, но не работает на растяжение. Армирующие прутки, наоборот, хорошо держат растягивающие нагрузки, но при сжатии теряют устойчивость и нагрузку не несут. Сочетание арматуры и бетона в железобетоне позволяет создавать изделия, выдерживающие широкий спектр нагрузок.
