ВВЕДЕНИЕ

Первым создателем композиционных материалов была сама природа. Множество природных конструкций (стволы деревьев, кости животных, скелеты насекомых, зубы людей) имеют характерную волокнистую структуру. Она состоит из сравнительно пластичного матричного вещества и более твердых и прочных веществ,

имеющих форму волокон. Например, древесина - это композиционный материал, состоящий из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого сечения, связанных между собой матрицей из органического вещества (лигнина), придающего древесине поперечную жесткость. Зубы людей и животных состоят из твердого поверхностного слоя (эмали) и более мягкой сердцевины (дентина). И эмаль, и дентин содержат неорганические кристаллы игольчатой формы, распространенные в мягкой органической матрице. Различие в свойствах эмали и дентина связано, в основном, с различным соотношением органической и неорганической составляющих: в эмали кристаллы занимают 99% объема, а в дентине 70%. Подобную структуру имеет и слоновая кость.

Примерами КМ могут быть и такие природные образования как минералы. Нефрит, например, состоит из плотно упакованных игольчатых кристаллов, связанных друг с другом на поверхностях раздела. Такая структура обеспечивает высокую вязкость нефрита и, поэтому различные племена использовали его как материал для изготовления топоров. Сооружая жилища, люди в глину для кирпичей добавляли солому и получали типичный армированный материал повышенной прочности. Они знали, что лук из нескольких слоев дерева прочнее лука, не имеющего в своей конструкции границ раздела. Таких примеров можно привести много, однако все это были случайные находки.

Наука о КМ зародилась совсем недавно. Первым примером научного подхода к созданию искусственных композиционных материалов можно считать появление железобетона и стеклопластиков. Как известно, бетон отлично сопротивляется сжатию и очень плохо выдерживает растягивающие нагрузки. Композиция из бетона и стальной арматуры, обладающая высокой прочностью на растяжение, объединяет в одном материале положительные свойства обоих компонентов, железобетон можно отнести к числу первых образцов армированной керамики.

Первый патент на композиционный полимерный материал был выдан в 1909 году. Он предусматривал упрочнение синтетических смол природными волокнами. Армировали первые полимерные КМ рубленым природным волокном, целлюлозной бумагой, хлопчатобумажными или льняными тканями. Стеклопластики запатентованы в 1935 году. Это были первые полимерные материалы, в которых как упрочнитель использовали неорганические волокна.

Промышленный выпуск стеклопластиков налажен после второй мировой войны, с тех пор их интенсивно используют в технике. В 50-х годах 20 века обнаружили, что многие материалы в виде тонких кристаллов игольчатой формы обладают фантастически высокой прочностью (10000 МПа и более). Были получены новые виды неорганических поликристаллических волокон - углеродные, борные с прочностью 3000 – 3500 МПа и модулем упругости 300 - 500 МПа. Возникла идея использовать все эти сверхпрочные волокнистые материалы для армирования различных матриц, и в первую очередь металлов.

История металлических армированных материалов насчитывает не более 40 лет, но успехи в этом направлении достигнуты значительные. Разработаны теоретические основы упрочнения металлов волокнами; созданы композиции на алюминиевой, титановой, никелевой и других основах, обладающие значительно большей прочностью, чем стандартные промышленные материалы на той же основе. Проводятся работы по созданию керамических композиционных материалов. Железобетон - пример “макроармированной” керамики: в нем используют толстую арматуру, диаметр которой измеряется миллиметрами и десятками миллиметров.

Сейчас разработаны “микроармированные” керамические материалы на основе различных оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др., диаметр тугоплавких армирующих волокон в которых составляет доли миллиметра или даже микрометры. За счет такого армирования удалось получить высокотемпературные керамические материалы с высоким сопротивлением термическим и динамическим нагрузкам, т.е. ликвидировать наиболее уязвимые места керамики.

В настоящий момент наиболее широко используются стеклопластики. Их применяют не только в сложных и ответственных конструкциях, но и в изделиях широкого потребления. Такие материалы как боро- и углепластики, металлические композиции типа алюминий - бор и алюминий - графит, используются главным образом в условиях действия высоких нагрузок, когда первостепенную роль играет надежность конструкции, ее масса, а вопросы стоимости отступают на второй план - в сверхзвуковых самолетах, ракетах, космической аппаратуре, батискафах. Пока эти материалы дороже обычных промышленных, поскольку объем их производства невелик, а некоторые из них исследовались только в лабораториях. Наряду с несомненными преимуществами по сравнению с традиционными материалами у армированных КМ есть недостатки, в частности, многим из них присуща низкая прочность при сдвиговых нагрузках, некоторые КМ плохо сопротивляются сжатию.