Изучение структуры и свойств волокнистых композиционных материалов

Цель работы: изучить принципы структурного строения волокнистых композиционных материалов, роль каждого из компонентов структуры в формировании свойств композита; ознакомиться со структурой и основными свойствами представителей классов композиционных материалов на полимерной и металлической матрицах.

Теоретические сведения

Композиционными называют материалы, синтезированные из двух или более исходных материалов, одни из которых являются матрицей, а остальные - армирующими наполнителями, связанными друг с другом силами межатомного взаимодействия, но не образующие в процессе создания или эксплуатации продуктов химического взаимодействия.

Компонент, непрерывный в объеме композиционного материала, называется матрицей или связующим, другой компонент - армирующий наполнитель - равномерно распределен в матрице и связан с матрицей прочными межатомными связями.

Композиты - это современный класс машиностроительных материалов, который отличается от применяемых традиционных конструкционных материалов (сталь, сплавы алюминия, магния, титана, никеля и др.) необычно высокими свойствами: удельной прочностью, удельной жесткостью, удельной жаропрочностью, вибропрочностью, коррозионной стойкостью, абляционной стойкостью и др. К настоящему времени создана обширная номенклатура композиционных материалов, различающихся между собой по разным признакам. Среди них важнейшее значение. для изделий авиационной и космической техники имеют композиционные материалы, армированные волокнами (ВКМ).

Волокнистые композиты могут различаться по материалу матрицы, материалу и ориентации волокон. Матрица может быть полимерной, металлической, керамической. Волокна могут быть стеклянными, углеродными, борными, металлическими, полимерными, поликристаллическими или монокристаллическими из химических элементов и соединений (оксидов, нитридов, боридов и др.). Ориентация волокон может быть заданной относительно оси детали или хаотичной. Длина волокон может быть непрерывной или дискретной.

Свойства композита определяются свойствами каждого из составляющих его элементов. Матрица обеспечивает сохранение геометрической формы и размеров изделия, она воспринимает внешнюю нагрузку и распределяет ее на все содержащиеся в ней волокна, защищает их от внешних механических и химических воздействий. Матрица определяет коррозионную стойкость композита и температурные границы его эксплуатации. Волокна являются несущим компонентом композита. Отих свойств зависят прочность, жесткость, жаропрочность, вибропрочность и другие свойства ВКМ. Ориентация волокон может быть однонаправленной, раз но направленной плоской и раз но направленной объемной (трехосной, четырехосной и т. д).

Таким образом, композит образуется сочетанием волокон и матрицы. Объемная доля волокон, содержащихся в матрице, может колебаться в широких пределах (от 15 до 70% и более) и зависит от физических и технологических свойств материалов обоих компонентов, схемы армирования, т. е направлений волокон в объеме детали, технологии изготовления. Обычно композиты на полимерной матрице наполнены волокнами до верхних предельных значений, а уровень армирования металлокомпозитов не превышает 40 - 50%. Прочность однонаправленного композита σ_К вдоль волокон может быть приближенно определена из уравнения аддитивности:

где - прочность волокон и их объемная доля, соответственно;

- напряжения в матрице в момент разрушения образца.

С помощью аналогичных зависимостей могут быть определены модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность, некоторые физи­ческие характеристики.