Тема 1. Структура та властивості композитних матеріалів.

1.1. Поняття про композитні матеріали та особливості їх будови

Композитними називаються матеріали, що володіють специфічною сукупністю ознак:

- не зустрічаються в природі, бо створені людиною;

- складаються з двох більше компонентів, що відрізняються хімічним складом і мають чітко виражену границю розділу;

- володіють властивостями, відмінними від властивостей вихідних компонентів;

- неоднорідні в мікро- та однорідні в макрооб’ємі;

- властивості визначаються кожним з компонентів, якщо він знаходиться в матриці в достатній кількості.

Компонент, неперервний у всьому об’ємі називається матрицею, а неоднорідно розташовані частки – армуючими елементами („армуючий” – введений в матрицю з метою зміни властивостей матеріалу).

Залежно від геометрії армуючих елементів та їх розташування композитні матеріали (КМ) бувають ізотропні та анізотропні. Ізотропні – за природою однорідні і проявляють властивості, однакові в усіх просторових напрямках. Бувають макроскопічно ізотропні, до яких відносять дисперсно зміцнені матеріали та псевдосплави, а також хаотично армовані КМ. Хаотично армовані КМ зміцнені хаотично розміщеними частками ниткоподібної форми – вусами, або дискретними частинками голчастої форми.

КМ переважно формуються на основі матриці та різнофункціональних наповнювачів, що дозволяє широко регулювати їх властивості. Властивості КМ найбільш суттєво залежать від природи вихідних компонентів, а також від характеру взаємодії між матрицею і представленими наповнювачами.

1.2. Класифікація КМ

Композитні матеріали класифікують за такими ознаками:

1.  За матеріалом матриці та армуючих елементів.

2.  За геометрією елементів.

3.  За структурою та розташуванням елементів.

4.  За методами та технологією отримання.

5.  За призначенням.

Повна характеристика КМ повинна містити всі вказані ознаки, проте на практиці, переважно обмежуються однією, або кількома. Загальна назва КМ переважно походить від матриці. Наприклад: полімерна матриця – полімеркомпозитний матеріал. КМ, що містять два або більше різних за складом і природою матричних компоненти називають поліматричними. Наприклад, поєднання епоксидних та фенолформальдегідних смол веде до утворення епоксифенольних КМ.

Характеристика КМ за матеріалом матриці і армуючих елементів вказує на їх природу. Оскільки назва КМ складається з двох частин, то спочатку відображають присутність наповнювачів, а в другій частині – природу в’яжучого. Наприклад: полімеркомпозити, що армовані сферичними волокнами є склопластиками (скловолокнитами), металевими волокнами – металопластиками, органічними – органопластиками, борними – боропластиками, вуглецевими –вуглепластиками тощо. Для неметалевих і металевих КМ чіткої номенклатури не існує. Найчастіше використовується подвійна назва: матеріал матриці, а потім матеріал волокна. Наприклад, Cu – W: мідна матриця, вольфрамові волокна.

КМ, що містять два або більше різних за складом або природою типи армуючих елементи (АЕ) називають поліармованими. Поліармовані КМ ділять на прості (АЕ, що мають різну природу, але однакову геометрію – скловуглепластик), комбіновані (різна природа і геометрія, наприклад: КМ, що має алюмінієву матрицю, вольфрамові волокна та титанову фольгу.

У відповідності з геометрією АЕ (порошок, гранули, волокна, пластинки) КМ ділять на:

·     порошкові;

·     волокнисті;

·     пластинчасті.

До першої групи відносять КМ типу псевдосплавів, а також композити, що отримані із суміші різних порошків. Також до цієї групи відносять дрібно і нанодисперсні КМ.

До другої групи відносять КМ, що армовані неперервними і дискретними волокнами, до третьої – неперервними і дискретними пластинами. Наприклад: КМ, що являють собою почерговий набір пластинок із Аl і Ті фольги. Максимальний розмір волокон і пластин співвідноситься з характерним розміром зразка КМ.

У відповідності з класифікацією КМ за структурою і розташуванням компонентів КМ ділять на групи:

·     з каркасною структурою;

·     матричною структурою;

·     пошаровою структурою;

·     комбінованою структурою.

До КМ з каркасною відносять псевдосплави, що отримані шляхом просочування; з матричною – дрібнодисперсні КМ, що армовані матеріалами; з шаровою – композиції отримані набором почергових листів матеріалів різної природи або складу, а також аналогічної фольги; до комбінованої – матеріали, що містять комбінації попередніх груп. Наприклад, псевдосплави, каркас яких зміцнений дисперсними включеннями. КМ з матричною структурою можуть бути армованими елементами, що мають хаотичну орієнтацію в просторі (дискретними волокнами). В цьому випадку матеріал є ізотропним, або квазіізотропним. КМ з матричною структурою, що зміцнена АЕ, які орієнтовані певним чином в просторі, належать до впорядковано армованих КМ. До них відносять одно-, двох- і трьохвісноармовані КМ.

У відповідності за методом отримання КМ класифікують:

·     отримані рідкофазним методом (просочення арматури полімерами, або розплавленим металом);

·     твердофазним методом (екструзія, штампова, волочіння, дифузійне зварювання, зміцнення вибухом);

·     методом осадження (напилення, наплавлення) – матриця наноситься на волокна з розчинів солей, або інших сполук, з парогазової фази, плазми, тощо;

·     комбінованими методами.