Композиционные материалы. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Композиционные материалы - материалы, представляющие собой гетерогенные, термодинамически неравновесные системы, состоящие из двух или более компонентов, отличающихся по хим. составу, физ--механич. свойствам и разделённых в материале чётко выраженной границей. Каждый из компонентов вводится в состав К. м., чтобы придать ему требуемые свойства, к-рыми не обладает каждый из компонентов в отдельности. Комбинируя объёмное соотношение компонентов, можно получать материалы с требуемыми характеристиками: прочностными, радиопрозрачными, диэлектрическими, магнитными и др.

В большинстве случаев компоненты К. м. различаются по геом. признаку: напр., один из компонентов может быть непрерывным по всему объёму материала, в этом случае он наз. матричным или матрицей. Компонент же, являющийся прерывистым, разъединённым в объёме материала, наз. армирующим или наполнителем. Деление компонентов на матричный и армирующий не имеет смысла, если оба компонента равнозначны по геом. размерам и форме (например, для слоистых К. м., состоящих из чередующихся слоев двух или более компонентов). Типичным примером К. м. является железобетон, в к-ром высокая прочность на сжатие бетона сочетается с прочностью на растяжение железных прутьев.

Табл. 2. - Некоторые свойства конструкционных материалов *

* При содержании волокон - 50% объёма, прочность и модуль упругости -в направлении волокон, теплофиз. свойства - при 20 °С.

Интенсивное развитие конструкционных К. м. началось в 1960-х гг., когда благодаря успехам хим. технологии появились высокопрочные и высокомодульные (обладающие высокими модулями упругости) волокна: борные, углеродные, карбидокремниевые, оксидные, органич. волокна, нитевидные монокристаллы и др. Свойства нек-рых видов волокон и армированных ими материалов приведены в табл. 1 и 2. Высокая прочность волокон объясняется их малым диаметром, т. к. вероятность того, что волокно содержит дефекты, способные вызвать хрупкое разрушение, падает с уменьшением его поперечного сечения. Нитевидные же монокристаллы, или "усы", имеющие практически совершенную, бездефектную структуру, обладают прочностью, близкой к теоретической. Для реализации в К. м. свойств волокон или иных дискретных компонентов, напр. порошков, служит матрица, к-рая объединяет все компоненты К. м., защищает волокна от внеш. воздействий, способствует равномерному распределению нагрузок между отд. волокнами и позволяет создавать детали требуемой формы и размеров.

Рис. 1. Типы армирующих компонентов: порошковые (а), дискретные (б) и непрерывные (в) волокна.

К. м. различают по природе компонентов, обычно матрицы, по геометрии армирующих компонентов, по расположению компонентов (схеме армирования). По природе матричного компонента К. м. разделяют на металлические, полимерные и К. м. с матрицей из неорганич. элементов или соединений (углерод, оксиды, карбиды, бориды и т. п.). По геометрии армирующих компонентов К. м. делятся на порошковые, в к-рых используются наполнители в виде дисперсных порошков или гранул (рис. 1, а), волокнистые, армированные непрерывными или дискретными волокнами (рис. 1, б и в), в т. ч. нитевидными монокристаллами, и слоистые (пластинчатые). В зависимости от расположения армирующего компонента в материале К. м. могут быть изотропными или квазиизотрогшыми (порошковые, дисперсно-упрочнённые, хаотично армированные дискретными частицами игольчатой формы) и анизотропными (волокнистые или слоистые, в к-рых армирующие компоненты ориентированы в определ. направлениях). К композиционным относятся также материалы, получаемые направленной кристаллизацией сплавов автектич. состава. Такие К. м. более стабильны при нагреве в силу равновесных условий кристаллизации составляющих компонентов, к-рые являются фазами одного исходного расплава.

Методы получения К. м. Осн. фактором, определяющим выбор метода получения К. м., является технол. совместимость компонентов, т. к. возможно разупрочнение волокон в результате хим. взаимодействия с матрицей в процессе изготовления К. м., а также их механич. повреждение. Наиб. часто используются технол. процессы: жидкофазные (пропитка волокнистой или порошковой арматуры полимерной или жидкометаллич. матрицей, направленная кристаллизация эвтектик); твердофазные (прессование, прокатка, экструзия, штамповка, диффуз. сварка и др.); осаждение матричного компонента на волокнах из парогазовой фазы, из растворов солей, плазменное напыление или эл--хим. методы и др.; комбинированные методы, напр, плазменное напыление с последующим уплотнением диффузионной сваркой.

Если выбор армирующего компонента определяется назначением К. м., то в выборе матричного материала руководствуются гл. обр. уровнем рабочих температур. В К. м., подвергающихся нагреву не выше 150- 200 ^СС, используется в основном полимерная матрица - термореактивные и термопластичные смолы; полиимидные смолы выдерживают длит. нагрев до 300 ^СС. При более высоких темп-pax используются К. м. с металлич. матрицей: до ~400 °С - с алюминиевой матрицей, до ~700 °С - с титановой, до ~1200°С - с никелевой или хромовой матрицей. Для рабочих температур выше 1200 °С рекомендуются керампч. матрицы. Металлич. К. м. помимо высокой теплостойкости обладают рядом др. преимуществ: более высокой трансверсальной (в поперечном относительно волокон направлении) и сдвиговой прочностью, обусловленной более высокими прочностью, ударной вязкостью, тепло- и электропроводностью, свариваемостью и др. свойствами металлич. сплавов. Выбор компонентов высокотемпературных К. м. ограничивается и их совместимостью, т. к. при изготовлении или длит. работе в результате диффуз. процессов на границе раздела компонентов возможно образование хрупких прослоек в виде интерметаллидов и др. соединений, резко снижающих свойства К. м.

Свойства К. м. Тепло- и электропроводность, дизлектрич. и магн. проницаемости К. м. определяются соответствующими характеристиками компонентов с учётом их объёмного соотношения и структурных особенностей, а для анизотропных волокнистых К. м.- и направлением армирования. Эти характеристики с точностью, достаточной для практич. целей, могут быть вычислены по правилу аддитивности. Тому же правилу подчиняется и коэф. термич. расширения в соответствии с модулями упругости компонентов, что позволяет проектировать материал с заранее заданными свойствами. Напр., введение углеродных волокон в алюминиевые сплавы позволяет снизить их коэф. термич. расширения в неск. раз (в направлении волокон), а металлич. волокон в керамич. матрицу - существенно повысить её теплопроводность; металлонаполненные полимеры приобретают магн. свойства, высокую тепло- и электропроводность и т. д.

Прочность и жёсткость К. м. определяются гл. обр. свойствами высокопрочных и высокомодульных волокон, однако роль матрицы также существенна. При нагружении пучка несвязанных между собой волокон разрушение единичного волокна приводит к перегрузке остальных. Если же волокна находятся в вязкой матрице, то пластич. или упругая деформация матрицы вблизи места разрыва вызывает сдвиговые напряжения, к-рые постепенно увеличивают нагружение разорванных фрагментов волокна. Вследствие такого перераспределения напряжений через матрицу К. м. способен выдерживать значительно большие напряжения, чем такой же комплекс волокон в отсутствие матрицы. Естественно, что для перераспределения нагрузки путём сдвиговых напряжений необходимо в процессе изготовления К. м. обеспечить прочную связь между волокном и матрицей, в противном случае происходит выдёргивание концов разорвавшихся волокон из матрицы и неполная реализация их прочности. Эффективность упрочения дискретными волокнами всегда несколько ниже. Поскольку нагрузка от матрицы на волокно передаётся посредством сдвиговых усилий, площадь поверхности волокон, т. е. отношение длины к диаметру, должна быть велика; для большинства К. м. критич. отношение длины к диаметру волокна, при к-ром оно получает нагрузку, способную его разорвать, равно 100 : 1.

Прочность при растяжении однонаправленного К. м. с непрерывными волокнами может быть оценена по ф-ле

где

- прочность волокон,

- напряжения в матрице в момент разрушения волокон, V_f - объёмная доля волокон в К. м. Для более точного расчёта прочности необходимо в эту ф-лу ввести ряд коэф., учитывающих дисперсию прочности волокон, их частичную разориентацию, наличие внутр. напряжений, пористости матрицы и др. Упрочняющий эффект волокон в К. м. проявляется лишь при содержании их не менее нек-рого значения V_кp; при V<V_кp роль волокон аналогична дефектам в матрице, приводящим к снижению прочности в соответствии с ур-нием

= =

(1 -V_f). Модуль упругости (модуль Юнга) в направлении волокон рассчитывается по правилу аддитивности:

где Е_f и Е_т - модули упругости волокна и матрицы соответственно. Модуль упругости в поперечном направлении в предположении равенства и однородности напряжений в матрице и волокнах определяется выражением

Особенностью К. м. является также большое сопротивление распространению усталостной трещины при знакопеременных или пульсирующих нагрузках, что характерно для волокнистых структур. Обычно в К. м. трещина усталости, достигнув границы раздела компонентов, развивается нек-рое время вдоль неё, затем перерезает очередное волокно в его слабом участке и т. д.; это приводит к диссипации напряжений в устье трещины и замедлению её распространения. Напр., предел выносливости боралюминиевого К. м. ок. 600 МПа при числе циклов 2-10⁷ , в то время как для высокопрочных конструкц. алюминиевых сплавов он составляет прибл. 100 МПа. Поэтому К. м. позволяют значительно повысить надёжность и долговечность конструкций. Армирование борными и углеродными волокнами повышает также уровень рабочих температур сплавов Аl с 250 до прибл. 400° С (рис. 2). Применение К. м. Используются

Рис. 2. Зависимости прочности от температуры для сплавов А1 (1) и композиционных материалов - уг-леалюминия (2) и бор-алюминия (3).

К. м. в разл. отраслях техники: боралюминий и углепла-стики - в авиац. и космич. технике (элементы силового набора крыла и фюзеляжа летат. аппаратов, створки, обтекатели, закрылки, рули), в ядерной и криогенной технике, хим. машиностроении, где необходимы корроз. радиационная стойкость, низкие коэф. термич. расширения и др.; стеклопластики - в судостроении (корпуса катеров и яхт), приборостроении (корпуса приборов), автомобилестроении и т. д.; полимерные К. м. с наполнителем из борсодер-жащих соединений - для защиты от нейтронного излучения, а с наполнителями, содержащими тяжёлые элементы,- для защиты от

-излучения; металлоке-рамич. порошковые К. м.- в качестве тепловыделяющих элементов, регулирующих стержней и замедлителей в реакторостроении, в качестве электрич. контактов, сварочных электродов, деталей узлов трения и др.; порошковые дисперсно-упрочнённые К. м.- в деталях авиац. двигателей.

Литература по композиционным материалам

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.


Конструкционные материалы
Физ. свойства	Боралюми-ний	Бормагний	Углеалю-миний	Борпластик	Угле-пластик	Стеклопластик
Прочность, 10² МПа ..........	12,0-	12,0-	9,5-	12, 0-	12. 0 -	2,8-
	16,0	15,0	12,0	14,0	16,0	4,3
йодуль упругости, ГПа ........	220-230	220-230	140-280	220 - 250	160-190	13-19
Плотность, г/см³ ............	2,60	2,20	2,30-2,40	2,00	1,35 - 1,60	1,45 - 1,95
гСоэф. термич. расширения, град . . .	5,0-5,6	5,2-5,8	6,8 - 7,6	3,8 - 4, 2	-1,75-+0, 1	4,8-6,2
Теплопроводность, Вт/М-Град .....	82-87	66-72	102-108	0,45 - 0,55	0,48-0,58	0,26 - 0,36
Теплоёмкость, кЦж/кг-град ......	0,92-1,02	0,95-1,05	0,84-0,9	1,04-1,30	0,92-1,30	0, 70 - 1,20