Современные композиционные материалы

7.1 Классификация композиционных материалов

Композит, определяется как матрица из одного материала с распределенными в ней заданным образом волокнами или дисперсными частицами другого материала. Такое распределение называют армированием.

По характеру распределения армирующего материала композиты можно разделить на два основных класса:

- композиты с упорядоченным армированием;

- композиты с неупорядоченным армированием.

В первом случае разработчик материала заранее задаётся конфигурацией, т.е. геометрической структурой распределения арматуры в матрице. Во втором случае распределение арматуры носит случайный, хаотический характер.

Композиционные материалы обоих классов можно разделить ещё по типу материалов, используемых в качестве матриц, и армирующих материалов. И те и другие материалы могут быть:

а) полимерами;

б) керамикой;

с) металлами.

На первый взгляд кажется, что создание композиционных материалов достаточно сложно. Ведь изготовление волокон – тонких и тончайших нитей – технологически сложно, вследствие чего неизбежен большой брак при их производстве; обязательны специальные меры для получения упорядоченного распределения и т.д. Возникает вопрос, оправдана ли такая технология и если оправдана, то почему?

Обратим внимание на очень важный факт: когда требуется материал с высокими значениями прочности и жёсткости (эти понятия отражают разные свойства твёрдого тела: прочность характеризует сопротивление разрушению, а жёсткость определяет недеформируемость материала), теплостойкости и устойчивости к химическим воздействиям, используют элементы, расположенные в середине периодической системы, - углерод, алюминий, кремний, кислород, азот. Эти элементы образуют друг с другом соединения с прочными стабильными связями. Типичными представителями таких соединений являются керамические материалы: SiC, Si₃N₄, SiO_2, Al₂O₃. Для них характерен уже известный недостаток – большая хрупкость. Если такой материал изготавливают из мелких частиц или тонких волокон, его прочность значительно повышается. Подтверждением этому может служить оконное стекло – материал очень непрочный, но стеклянная нить, состоящая из тонких волокон, имеет прочность на растяжение 3*10⁹ Па. Для сравнения укажем, обычная сталь имеет прочность только 0,5*10⁹ Па.

Высокая прочность мелких частиц связана с тем, что вероятность W появления в образце дефекта настолько большого, чтобы вызвать хрупкое разрушение, падает с уменьшением размера образца: