Композитные материалы (принцип выбора материалов, перспективы применения).
Композитный материал, также называемый композиционный материал или композит - это искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, различных по физическим и химическим свойствам, которые остаются раздельными на макроскопическом уровне в финишной структуре.
Композитные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом композитные материалы позволяют эффективно использовать индивидуальные свойства составляющих композиции.
Теоретически, для получения композита вполне достаточно два любых материала (рис. 1).
Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.
Виды композиционных материалов
Стеклопластики — полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла.
Углепластики — наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна.
Органопластики — композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д.
Текстолиты — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон.
Существуют три принципа выявления материалов для получения композитов с наиболее полезными свойствами:
используются показатели эксплуатационных характеристик, на основе которых выделяют только те сочетания материалов, которые максимизируют эксплуатационные качества композитов;
используются графики подбора и назначения материалов. При построении этих графиков учитываются свойства обоих материалов и получаемые показатели эксплуатационных характеристик композитов;
определяются пределы, на основе которых далее находят крайние значения для заданной композитной системы (Эшби 1993).
1 принцип: использование показателей эксплуатационных характеристик
Показатель эксплуатационной характеристики — это свойство (группа свойств), которая оценивает эффективность материала при выполнении заданной функции (Эшби 1999).
Например: В тех направлениях использования, где осуществляется растяжение материала, наилучшим будет тот материал, который обладает наибольшей удельной жесткостью Е/ρ. Самые легкие материалы для элементов, которые подвергаются изгибам, должны обладать наибольшим значением E1/2/ρ. Наилучшие пружины изготавливают из материалов с наибольшими значениями σf2/E, где σf - это предел текучести (разрушающее напряжение).
При выборе материала наиболее подходящим является тот, который обладает наибольшим значением соответствующего показателя. Показатели обеспечивают выявление тех материалов, сочетание которых в композите ведет к проявлению неких новых свойств