Матрицы, ориентации и типу арматуры, назначению

Классификация композиционных материалов по виду материала

Армированные КМ можно классифицировать по следующим признакам. По материалу матрицы (материаловедческий принцип) все КМ можно разбить на три группы: композиции с металлической матрицей (металлические композиционные материалы (МКМ)), с полимерной (полимерные композиционные материалы (ПКМ)) и с керамической (керамические композиционные материалы (ККМ)).

Полимерные КМ обычно называют по материалу армирующих волокон. ПКМ, армированные стеклянными волокнами, называются стеклопластиками (стекловолокнитами), металлическими – металлопластиками (металловолокнитами), органическими – органопластиками (органоволокнитами), борными – боропластиками (бороволокнитами), углеродными – углепластиками (углеволокнитами), асбестовыми - асбопластиками (асбоволокнитами) и т.п.

В отношении металлических и керамических КМ пока нет четко установленных правил присвоения названий. Чаще других сначала пишут материал матрицы, затем – материал волокна. Например, обозначение Cu-W относится к КМ с Cu-матрицей и W-волокнами; Al₂O₃-Mo – к КМ на основе Al₂O₃ с арматурой из Мо-волокон. Мы будем пользоваться такими обозначениями, но в литературе иногда встречается другое: сначала указывается материал волокна, а затем – матрицы.

В зависимости от; исходного структурного и фазового состояния матричного материала различают МКМ с порошковой, литой и листовой матрицей. Композиционные материалы, набираемые из чередующихся слоев волокон и тонких листов матричного материала, называют иногда КМ типа сэндвич. Для получения ККМ чаще всего используют матрицу в виде порошка.

По ориентации арматуры КМ подразделяются на изотропные и анизотропные (конструкционный принцип).

К изотропным, т.е. имеющим одинаковые свойства во всех направлениях, относятся дисперсноупрочненные и хаотично армированные материалы. В первом случае упрочняющие элементы имеют примерно равноосную форму, во втором упрочнение осуществляется частицами удлиненной формы, хаотично ориентированными в пространстве. В качестве таких частиц используют отрезки волокон или нитевидные кристаллы; при этом КМ получаются квазиизотропными, т.е. анизотропными в микрообъектах, но изотропными в объеме всего изделия.

К анизотропным, т.е. свойства которых различны в разных направлениях, относятся материалы, волокна которых ориентированы в определенных направлениях – однонаправленные, слоистые и трехмерноармированные. Анизотропия КМ конструкционная: ее специально закладывают в КМ для изготовления конструкций, где она наиболее желательна. В отличие от такой анизотропии существует технологическая анизотропия, возникающая при пластической деформации изотропных материалов, и физическая анизотропия, присущая кристаллам в связи с особенностями строения их кристаллической решетки.

Однонаправленными материалами называют материалы с ориентацией волокон 1:0 (дробь показывает отношение числа слоев волокон в продольном и поперечном направлениях), двумерноармированные слоистые КМ с взаимно перпендикулярной укладкой волокон обозначают дробями 1:1, 1:2; 1:3; 3:4 и т.п. Слоистые КМ со звездной укладкой, волокна которых в смежных слоях образуют между собой угол 60º, называют материалами с укладкой 1:1:1. Трехмерноармированные КМ получают армированием матриц волокнами в трех взаимно перпендикулярных направлениях или объемными тканями.

По типу арматуры (конструкционный принцип) КМ подразделяются на: волокнистые (упрочненные непрерывными или короткими волокнами, нитевидными кристаллами, жгутами, ровницей), дисперсноупрочненные (полученные путем введения в матрицу дисперсных частиц-упрочнителей), слоистые материалы (созданные путем прессования, литья, пропитки или прокатки разнородных материалов, в которых арматура может быть в виде лент, сеток различного плетения).

По способу получения (технологический принцип) полимерные КМ можно разделить на литейные, прессованные и намоточные. Полимеры с хаотичной структурой обычно получают литьем и прессованием, а с ориентированной – намоткой и прессованием. Металлические КМ по этому способу делят на литейные и деформируемые. Литейные получают, пропитывая арматуру расплавленным матричным сплавом, либо применяя направленную кристаллизацию сплавов эвтектического состава с выделением упрочняющей фазы непосредственно из расплава (так называемый метод in situ – в себе, на месте пребывания). Для получения деформируемых МКМ применяют спекание, горячую штамповку или прессование, взрывное прессование, электролитическое, химическое или парогазовое осаждение, плазменное и газоплазменное напыление и др. Большинство из этих твердофазных методов, исключая динамические, применяют и для получения керамических КМ.

По назначению (эксплуатационный принцип) КМ можно разделить на материалы общеконструкционного назначения (различные несущие конструкции самолетов, ракет, судов, автомобилей, двигателей, сосудов высокого давления и др.), жаропрочные (для лопаток турбин, камер сгорания и других изделий, работающих при повышенных температурах), термостойкие (для изделий, эксплуатируемых в условиях резких теплосмен, например для облицовки каналов МГД-генераторов), фрикционные и антифрикционные (подшипники скольжения, шестерни и др.), ударопрочные (броня самолетов, танков и т.п.), теплозащитные и КМ со специальными свойствами (электрическими, магнитными, ядерными, оптическими и др.).