Виды композиционных материалов

1. Виды композитных материалов

2. Основные понятия и условия выполнения

Композиционные материалы - объемное монолитное
искусственное сочетание разнородных по форме и
свойствам двух и более материалов, с четкой границей
раздела, использующее преимущества каждого из
компонентов и проявляющее новые свойства,
обусловленные граничными процессами.
Условие выполнений:
1) композиция должна представлять
собой сочетание материалов с четкой
границей раздела;
2) компоненты композиции образуют ее
своим объемным сочетанием;
3) композиция должна обладать
свойствами, которые отсутствуют у ее
компонент.
Рис.1 - Пример композитного
материала

3. Структура нанокомпозитов

В научном издании
“Nanocomposite science and
technology” нанокомпозит
определяется как
многокомпонентный твердый
материал, в котором один из
компонентов в одном, двух или
трех измерениях имеет
размеры, не превышающие
100 нанометров; также под
нанокомпозитами понимаются
структуры, состоящие из
множества повторяющихся
компонентов-слоев (фаз),
расстояние между которыми
измеряется в десятках
нанометров.
Рис.2 — Структура нанокомпозитов

4. Классификация композитов

По природе компонентов
⚫ По структуре композита
⚫ По геометрии армирующих
компонентов (наполнителя)
⚫ По расположению компонентов
⚫ По количеству компонентов
⚫ По методу получения
⚫
.

5. Классификация по методу получения

По методу получения: искусственные; естественные.
К искусственным относятся все композиты, полученные в результате
искусственного введения армирующей фазы в матрицу, к естественным –
сплавы эвтектического и близкого к ним состава. В эвтектических композитах
армирующей фазой являются ориентированные волокнистые и пластинчатые
кристаллы, образованные естественным путем в процессе направленной
кристаллизации.
По мере создания новых композитов «старые» виды классификации
расширяются и могут возникать новые.
Рис.3 — Литьевой камень. Пример
искуственного композита.

6. Классификация по природе компонентов

По природе компонентов (обычно материал матрицы): металлические;
полимерные; жидкокристаллические; керамические; другие
неорганические материалы (углерод, оксиды, бориды и тд.)
Если один из компонентов композита непрерывен во всем объеме, а
другой является прерывистым, разъединенным, то первый компонент
называют матрицей (связующим), а второй – арматурой (армирующим
элементом, наполнителем). Матрица в композите обеспечивает
монолитность материала, передачу и распределение напряжений в
наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость.
Есть композиты, для которых понятие матрицы и арматуры
неприменимо, например, для слоистых композитов, состоящих из
чередующихся слоев, и для псевдосплавов, имеющих каркасное
строение. Псевдосплавы получают пропиткой пористой заготовки
более легкоплавкими компонентами, их структура представляет собой
два взаимопроникающих каркаса. Обычно композиты получают общее
название по материалу матрицы.

7. Классификация по структуре композита

По структуре композита: каркасная; матричная; слоистая; комбинированная.
К композитам с каркасной структурой относят, например, псевдосплавы,
полученные методом пропитки; с матричной структурой – дисперсноупрочненные и волокнистые композиты; со слоистой структурой – композиты,
составленные из чередующихся слоев фольги или листов материалов
различной породы или состава; с комбинированной структурой – включающие
комбинации первых трех групп (например, псевдосплавы, каркас которых
упрочнен дисперсными включениями – каркасно-матричная структура).
Рис.4 - Миканиты
представляют собой слоистые
композиционные материалы получаемые
на основе слюды с применением
различных видов связующих
используемые в качестве изоляционных
материалов в электрических машинах и
аппаратах

8. Классификация по геометрии армирующих компонентов

По геометрии армирующих компонентов (наполнителя): порошковые и
гранулированные (армированы частицами); волокнистые (армированы
волокнами, нитевидными кристаллами, делятся на непрерывные и
дискретные); слоистые (армированы пленками, пластинами,
слоистыми наполнителями)
Рис.5 — Стеклопластик. Усиление
волокнистого композита проводят,
используя стеклянные
волокна,которые формируют вытяжкой
из находящегося в расплавленном
состоянии неорганического стекла.
Композиты отличает высокая
прочность, низкая теплопроводность,
высокие электроизоляционные
характеристики, не препятствуют
прохождению радиоволн.
Стеклопластики используют в
судостроении, радиоэлектронике,
строительстве и т. д.

9. Классификация по расположению компонентов

По расположению компонентов: изотропные или квазиизотропные(
порошковые, дисперсно-упрочненные, хаотично армированные дисперсными
частицами, дискретными или непрерывными волокнами); анизотропные
(волокнистые, слоистые с определенной ориентацией армирующих элементов
относительно матрицы).
⚫ Изотропные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях,
анизотропные разные. К числу изотропных композитов относятся псевдосплавы и
хаотично армированные материалы. Упрочнение хаотично армированных композитов
осуществляется короткими (дискретными) частицами игольчатой формы,
ориентированными в пространстве случайным образом. В качестве таких частиц
используют отрезки волокон или нитевидные кристаллы (усы), при этом композиты
получаются кваизотропными, т.е. анизотропными в микрообъемах, но изотропными в
макрообъеме всего изделия.
⚫ Анизотропия композита является конструкционной, она закладывается специально для
изготовления конструкций, в которых наиболее рационально ее использовать.
Возможность управления свойствами вновь создаваемых материалов, особенно
хорошо реализуемая при проектировании гибридных (армированных несколькими
типов наполнителей) композитов, оказывает существенное влияние на
совершенствование технологического проектирования.

10. Классификация по количеству компонентов

По количеству компонентов: полиматричные –
использование в одном материале нескольких
матриц; гибридные (полиармированные) –
использование наполнителей одной природы.
Композиты, которые содержат два или более
различных по составу или природе типа
армирующих элементов, называются
полиармированными или гибридными.
Гибридные композиты могут быть простыми,
если армирующие элементы имеют различную
природу, но одинаковую геометрию (например,
стеклоуглепластик – полимер, армированный
стеклянными и углеродными волокнами), и
компбинированными, если армирующие
элементы и различную природу, и различную
геометрию (например, бороалюминий с
прослойками из титановой фольги).
Рис.6 — Схематическое
изображение структуры гибридного
композита.

11. Критерии конструирования композитов

Определение конструкции композита – выбор компонентов и распределения
их функций, затем приступают к решению наиболее сложной задачи –
изготовлению композиционного материала, включающему выбор геометрии
армирования и наиболее эффективного технологического метода соединения
компонентов композита друг с другом. Основная сложность заключается не в
сборке отдельных компонентов композита, а в образовании между ними
прочного и специфического соединения. Межфазное взаимодействие
оказывает влияние на прочность связи компонентов, возможность химических
реакций на границе и образование новых фаз, формируя такие характеристики
композита, как термостойкость, устойчивость к действию агрессивных сред,
прочность и другие важные эксплуатационные характеристики нового
материала. Осуществление контроля не только за составом, но и за
структурой требует развития теории, которая позволила бы предсказать, как
будет влиять, то, или иное изменение на свойства композита. Когда стало
расти число возможных комбинаций матрицы и армирующих волокон, а
простое слоистое армирование начало уступать место армированию
сложными переплетениями, исследователи стали искать пути, позволяющие
избежать чисто эмпирического подхода. Задача состоит в том, чтобы по
характеристикам волокна (частиц и др.), матрицы и по их компоновке заранее
предсказать поведение композита.

12. Краткая характеристика и общие методы получения и обработки композитов на основе металлической матрицы

Основные виды композитов на основе металлической матрицы включают волокнистые,
дисперсно-упрочненные, псевдосплавы, а так же эвтектические.
Металлические композиционные материалы изготавливают твердофазными и
жидкофазными методами, методами осаждения - напыления, возможны также
комбинированные методы.
Для твердофазных методов характерно использование матрицы в твердом состоянии,
преимущественно в виде порошка, фольги или компактного металла.
Жидкофазные методы предусматривают получение металлических композитов путем
совмещения армирующих волокон с расплавленной матрицей. К ним относят методы
пропитки волокон жидкими матричными сплавами и метод направленной
кристаллизации.
При получении металлических композитов методами осаждения- напыления матричный
металл наносят на волокна из растворов солей или других химических соединений, из
парогазовой фазы, с помощью плазмы и т.д.
Комбинированные методы представляют собой последовательное или параллельное
применение первых трех методов. Волокна в большинстве случаев вводят в
металлический композит в твердофазном состоянии за исключением эвтектических
композиционных материалов, в которых армирующая фаза (волокна и пластины)
образуется из расплава в процессе направленной кристаллизации эвтектик.

13. Псевдосплавы

Псевдосплавы, сочетающие в себе структурные составляющие с резко
отличными физико-механическими характеристиками, обладают
важными техническими свойствами - высокими стойкостью при
воздействии интенсивных тепловых потоков и демпфирующей
способностью при вибрационном нагружении, самосмазкой в условиях
сухого трения, электроэрозионной стойкостью и износостойкостью при
работе в качестве электроконтактов. .
Рис.7 - Детали рабочих органов
(ступеней) нефтяных насосов
изготавливаются по специальной
технологии и представляют собой
материал псевдосплава Fe–C.

14. Области применения псевдосплавов

Псевдосплавы Fe-Mg предназначены для изготовления анодов электрохимической защиты
конструкционных материалов.
Из псевдосплавов W-Cu, W-Ag изготовляют контакты для сильно-точной и высоковольтной
коммутационной аппаратуры. Вольфрам придает псевдосплавам твердость, прочность,
сопротивляемость истиранию и эрозии, медь и серебро - электро- и теплопроводность, пластичность.
Высокопористые псевдосплавы W -Си предназначены для изготовления сопел плазмотронов.
Псевдосплавы Fe-Cu (15-25% Cu) применяются в качестве конструкционных материалов для
изготовления крупных деталей машин, подверженных ударным нагрузкам.
Из псевдосплавов Mo-Cu, Mo-Ag, Ni-Ag изготовляют электрокон-такты.
Известны псевдосплавы триботсхнического назначения на основе меди и бронзы, пропитанные
свинцом, оловом, галлией, индием и их сплавами. Лучшие антифрикционные свойства имеют
псевдосплавы бронза-олово и бронза- сплав Sn -Pb.
Псевдосплавы Ti-Mg используют для изготовления подшипников в узлах трения, работающих в
вакууме и агрессивных средах.

15. Эвтектические композитные материалы

Эвтектический композит (ЭКМ) естественный материал, поскольку его
структура формируется при
направленной кристаллизации
естественным путем, а не в результате
искусственного введения арматуры в
матрицу. Форма выделяющейся фазы волокнистая или пластинчатая - зависит
от объемной доли упрочнителя. При
объемной доле упрочнителя (меньше
32%) для ЭКМ характерна волокнистая
структура, а при большей концентрации пластинчатая. Поскольку прочность
волокон выше прочности пластин, то
волокнистое строение предпочтительней
пластинчатого.
а
Рис.8 - Микроструктура
направленнокристаллизованного
эвтектического сплава TaC
- (Co + Ni-Cr)

16.

Композиты на основе полимерной глины
Полимерные композиционные материалы или армированные пластики состоят
из высокопрочных волокон (частиц, слоев) различной природы (стеклянных,
углеродных и др.) и полимерного связующего - матрицы, склеивающей волокна
в монолитный материал.
Многообразие армирующих волокон и полимерных связующих, а также схем
армирования позволяет направленно регулировать прочность, жесткость,
уровень рабочих температур и другие свойства ПКМ. Эффективными
средствами регулирования являются сочетание в одном материале волокон с
различными упруго-прочностными свойствами (например, борных и
стеклянных, углеродных и органических), введение нитевидных кристаллов и
дискретных волокон в полимерную матрицу. Это определяет одно из
важнейших достоинств ПКМ - возможность создавать элементы конструкций с
заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и
условиям их работы.
Компоненты армированного пластика - это наполнитель (волокна, частицы) и
полимерная матрица. Для создания стабильных и устойчивых в работе ПКМ
важно состояние границы раздела.

17. Наногибридные полимер-неорганические композиты

Наряду с волокнистыми, среди полимерных композитов большое значение,
особенно в последние годы, приобрели наногибридные полимернеорганические композиты. В таких материалах расстояния между сетками и
слоями, образованными полимерными и неорганическими компонентами, а
чаще всего и размеры образующихся частиц, в том числе и
металлсодержащих, имеют нанометровые размеры. Органическая фаза
может захватывать металлочастицы внутрь своеобразной ≪ловушки≫ с
оптимальными размерами полимерной или оксидной сетки, полимерного
звена. В качестве неорганических составляющих используют оксиды кремния
и алюминия, ванадия и молибдена, стекла, глины слоистые силикаты и
цеолиты, фосфаты и халькогениды металлов, графит и др. Например,
полиимидные композиты с наноразмерными частицами SiO2 или ТiO2
обладают высокой механической прочностью при формировании трехмерных
неорганических сеток.

18. Жидкокристалические композиты

Современные жидкокристаллические
композиты (ЖКК) представляют собой в
основном полимерные пленки, в которые в
виде отдельной фазы введены жидкие
кристаллы.
Жидкокристаллические композиты созданы
ради эксплуатации их уникальных оптических и
электрооптических свойств. Последние есть
свойства самих, входящих в состав
жидкокристаллических композитов, жидких
кристаллов, лишь измененные и юй или иной
степени влиянием матрицы.
Сейчас еще до конца не ясно, все ли
физические свойства жидких кристаллов
сохраняются в композитах. Те же. которые
сохраняются, естественно, несколько
изменяются. Это связано с особенностями
структуры, которые образуют жидкие
кристаллы в ЖКК.