Визначення композитів
КОМПОЗИТИ
ЯК КОНСТРУКЦІЙНІ
МАТЕРІАЛИ
Визначення композитів. Класифікація
З безлічі варіантів визначення композиційних матеріалів, даних у літературі, наведемо найбільш лаконічне.
Композити - це матеріали, що складаються з хімічно або фізично різнорідних компонентів, що утворюють моноліт з чітко вираженою межею розділу компонентів.
Компоненти поділяються на дві групи (фази):
- Наповнювач (або арматура) у вигляді дискретних частинок або волокон - утворює дискретну фазу;
- сполучна (матриця) - у вигляді будь-якого матеріалу, що заповнює простір між арматурою і утворює суцільне середовище (рис.1.1).
Рис.1.1. Компоненти композиційних матеріалів:
1- наповнювач;2- сполучна;а– дискретні частки;
б- волокна, нитки, джгути;в- тканина;г– листовий матеріал
Арматура сприймає основні напруги, що виникають у композиті під впливом зовнішніх навантажень, та визначає основні механічні характеристики.
Матриця забезпечує спільну роботу дискретних елементів арматури, поєднуючи їх у моноліт, за рахунок власної жорсткості та адгезії на межі розділу матриця-арматура. Ця фаза меншою мірою визначає механічні властивості, але надає вирішальний вплив на технологічні характеристики, наприклад можливість формоутворення та технологічні режими.
Слід зазначити, що поняття "наповнювач" є загальним і поєднує не лише дискретні елементи з високою міцністю та жорсткістю. Під це поняття підходять також включення газів у вигляді малорозмірних бульбашок обсягом матричного матеріалу. Такеумовне армування забезпечує не міцність, а інші функціональні характеристики, наприклад, високі звуко- та теплоізоляційні здібності. Композити слід відрізняти від сумішей та розчинів. У першому випадку матеріал не є монолітним, у другому відсутня межа розділу між компонентами.
Композиційні матеріали класифікуються за двома ознаками – матеріалознавчою та конструкційною.
Класифікація за матеріалознавчою ознакою враховує природу матриці та наповнювача (табл.1.1).
| Матриця | Арматура | Тип КМ | |||
| мінерали | органіка | метали | кераміка | ||
| Полімерна | ПР | ПЗ | ПМ | ПК | ПКМ |
| Металева | МР | МО | ММ | МК | МКМ |
| Керамічна | КР | КО | КМ | КК | ККМ |
| Інші матеріали | ДР | - | - | - | - |
У технічній літературі композити поділяються на класи. Кожен клас отримав назву за типом матриці: КМ із полімерною матрицею називають полімерними (ПКМ), з металевою матрицею – металевими (МКМ), з керамічною – керамічними композиційними матеріалами (ККМ).
Перший класкомпозиційних матеріалів - ПКМ найбільш поширений у техніці. Основою матриці в них є різні полімерні смоли.
Під індексом ПР у табл.1.1 позначені композити, що складаються з полімерної матриці та арматури мінерального походження. В основному це волокна: вуглецеві (графітові), скляні, базальтові, азбестові.
До групи під індексом ПЗ відносяться полімерні КМ знаповнювачем органічної природи. Арматура представлена у вигляді ароматичних поліамідів (арамідів). Крім того, у матеріалах, які не використовуються при виробництві ЛА як конструкційні, застосовують папір, органічні лусочки, дерев'яну стружку (деревностружкові нитки – ДСП), бавовняну нитку (деревноволокнисті плити – ДВП) тощо.
Поєднання полімерної матриці з металевою арматурою позначено ПМ. Як наповнювач найчастіше застосовуються волокна бору і рідше - інших металів, наприклад алюмінію.
За застосуванням композитів з керамічним наповнювачем у полімерній матриці (група ПК) при виробництві ЛА відомостей немає. Назва КМ з полімерною матрицею формується із назви типу арматури з додаванням слова "пластик". Наприклад: склопластик, боропластик, вуглепластик, органопластик тощо.
Другий класкомпозитів має металеву матрицю: з легких металів – алюміній, магній та важких – сталеві та нікелеві сплави. Номенклатура та обсяг використання металокомпозитів істотно менше, ніж полімерних.
На сьогоднішній день як арматуру знаходять застосування: у групі МР (з мінеральною арматурою) – вугільні волокна у поєднанні з алюмінієвою матрицею, з органічним наповнювачем (група МО) матеріали не зустрічаються. Група ММ (матриця та арматура з металів) представлена в промисловості переважно бороалюмінієм, тобто поєднанням алюмінієвої матриці з борним волокном.
Група МК (з керамічним наповнювачем) мало відома.
У третьому класіяк матриця використовуються різні типи кераміки.
Про матеріали, що входять до груп КР, КО, КК відомості дуже обмежені. Здебільшого, вони перебувають у стадії розробки та дослідження властивостей.
У групі КМ якармуючого наповнювача використовують різні металеві порошки. Такі матеріали дістали назву керметів.
У четвертому рядку таблиці розташовуються композити з матрицею, що не відноситься до полімерів, металів та кераміки. Найбільш відомою композицією тут є вуглець-вуглецева (УУКМ). Арматура у ній представлена вуглецевими стрижнями чи нитками. Матриця також вуглецева, але із значно меншою міцністю.
Класифікація за конструктивною ознакою представлена на рис.1.2.
До першої групивідносяться композити з арматурою у вигляді дискретних частинок. Тут можна виділити дві підгрупи: КМ, армовані твердими частинками та газонаповнені. Як тверді частинки використовуються порошки, лусочки, рубані волокна, мікросфера.
Композити з полімерною матрицею та дискретним наповнювачем отримали назву "наповнені пластмаси".
Ефективним дисперсним наповнювачем є мікросфера, що є кульками малого діаметра (d= 0,05-0,2 мм) пустотілі всередині і виконані, найчастіше, зі скла.
До другої підгрупи відносяться матеріали, наповнювачем у яких є дрібні бульбашки газу. Залежно від типу матриці вони одержали відповідну назву: пінопласти (полімерна матриця), пінометали, пінокераміка, пенорезину тощо. Якщо бульбашки газу з'єднуються між собою, то в назві матеріалів словосполучення "піно" замінюють на "поро", наприклад, "поропласти".
Друга групаКМ характеризується тим, що арматура має волокнисту структуру. Цей тип КМ можна розділити на чотири підгрупи: односпрямовані композити, ткані шаруваті, волокнисті об'ємного плетіння, неткані.
Однонаправлена арматура може бути: у вигляді первинної нитки (отриманої відразу післявиготовлення); філаментної (крученої) нитки; ровінгу, що складається з пасм комплексних ниток; стрічки-ниток, з'єднаних між собою у поперечному напрямку через певну відстань і утворюють витягнуту плоску поверхню; джгута - отриманого переплетенням ниток з утворенням перерізу, близького до кола.
Друга підгрупа включає КМ, що складаються із шарів тканини, об'єднаних матрицею. Армуючий наповнювач відрізняється типом переплетення та товщиною ниток.
Третя підгрупа характеризується арматурою, що є об'ємним переплетенням ниток або стрижнів. Просторове переплетення може бути організовано різною кількістю ниток – від 3 до 11. Архітектурні рішення щодо створення просторових армуючих змін наведено у книгах [20, 41].
Четверта підгрупа містить матеріали із наповнювачем нетканого типу. Неткані матеріали (Fliss-stoffe - "ворсова тканина") є хаотично армованими структурами, в яких штапельні волокна з'єднані одним з трьох способів - склеювання, сплутування з утворенням фрикційної взаємодії, прошивка полотна текстильною ниткою.
АЛОРи та СІАЛи– поєднання поперемінно з'єднаних між собою шарів тонколистового металу з шарами тканини (органо- або скло-), просоченої сполучною. Назва АЛОР походить від перших літер слів – алюміній, органопластик. Англомовна назва цього матеріалу – ARALL – Aram >
СІАЛи складаються з тонких (0,25-0,6 мм) алюмінієвих листів та проміжних шарів склопластику товщиною 0,2-0,4 мм. У Західній Європі та США такі матеріали йдуть під назвою GLARE.
Гетинакси– як наповнювач служать шари паперу, що сполучає –полімерні смоли.
Фанера- поєднання тонких листів деревини (шпону), укладеного в різних напрямках із шарами сполучного.
Вид арматури та форма укладання значною мірою визначають технологію виготовлення виробів із КМ:
– для дисперсно-наповнених композитів використовують методи пресування у прес-камерах та ливарних машинах;
- Вироби з волокнистих матеріалів виходять, найчастіше, нанесенням їх на формозадаючі оправки;
- Листові КМ переробляються методами, запозиченими з техпроцесів обробки металевих деталей - штампування, обробка різанням і т.д.