Композиційні матеріали - Енциклопедія Сучасної України
Beta-версія
Композиційні матеріали

КОМПОЗИЦІ́ЙНІ МАТЕРІА́ЛИ – матеріали з новим корисним комплексом фізико-механічних та експлуатаційних властивостей, утворені поєднанням двох і більше компонентів, які мають межі розподілу та різняться хімічним складом, структурою і фізико-хімічними характеристиками. В історії людства К. м. відомі здавна. Так, укріплення мармур. колон метал. прутами використовували ще у Стародав. Греції. Найпершим пром. К. м. вважається залізобетон, який широко застосовують від кін. 19 ст. Від 1960-х рр. найпоширенішими в техніці є штучні К. м. зі зміцнювачами на основі волокон, дротів і ниткоподіб. крис­талів. Особливу групу становлять природні К. м. – евтектичні метал. сплави, в структурі яких містяться фази волокнистої або пластинчастої форми, які вини­кають в процесі спрямованої кристалізації розплавів евтектич. складу. Осн. особливості К. м.: утворені з матриці – компонента, неперервного в об’ємі матеріалу, та наповнювача – пе­реривчастого компонента у вигляді дискрет. частинок різноманіт. форми, об’єднаних матри­цею. Переривчастий компонент називають армуючим елементом. Він може виконувати функ­ції як зміцнювача (в конструкц. К. м.), так і наповнювача, що визначає функціонал. характеристики матеріалу (теплофіз., електричні, магнітні, триботех. та ін.). Як армуючий компонент або наповнювач використовують високоміцні дроти (сталь, вольфрам, молібден, берилій), ниткоподібні кристали з SiC, Al2O3, Si3N4 та ін., неметал. волокна (вуглець, бор, скло, базальт, кераміка), порошок та гранули ме­­талів, інтерметалідів, кераміки тощо. Армуючі наповнювачі повинні забезпечувати міц­ність, жорсткість, електропровідність, стабільність властивос­тей у певному температур. інтервалі, відсутність деградації структури та властивостей під впливом дифуз. процесів на межі волокно–матриця. Як матрицю використовують полімери, метали та сплави, інтерметал. з’єд­нання, кераміку (оксиди, карбіди, нітриди), вуглець, скло та ін. ма­­теріали. Роль матриці полягає в наданні форми виробу із К. м. та в забезпеченні зв’язності його компонентів. Поєднуючи матри­цю з армуванням, К. м. можуть витримувати різноманітні внутр. навантаження. Фіз.-мех. властивості К. м. знач. мірою залежать від кількості армуючого наповнювача (частинок або волокон), його розташування, роз­мірів, властивостей та характеру зв’язку з матрицею. При армуванні волокнами або дротами важливе значення мають їхня орієнтація в об’ємі матеріалу, відношення довжини до діаметра (у випадку використання дискрет. волокон), будова структур. елементів (сіток та ін. текстил. армуючих структур). Найефективніше зміцнення забезпечують односпрямов. орієнтацією непереривчастих або дискрет. волокон. Для визначен­ня міцності при розтягуванні ком­позитів, армованих непере­ривчастими односпрямов. волокнами, використовують рівняння адитивності:

де – міцність волокна при роз­тягуванні; VB – об’ємна частка волокон; σм – напруження в матриці під час руйнування волокон. Для крихких волокон у пруж. матриці, зокрема для К. м. кераміка–кераміка, величина σм попередньо встановлюється спів­відношенням ЕМВ, де ЕМ та ЕВ – модулі пружності матриці та волокон. Для метал. матриці, якій властиве пластичне деформування, найдоцільнішим параметром є границя текучос­ті. На основі теор. розрахунків влас­тивостей К. м. та їх порівняння з експеримент. даними з урахуванням особливостей струк­ту­ри та характеру мех. і терміч. навантажень можна спрогнозувати та пояснити критичні рівні цикліч. пружності, в’язкості руй­нування, повзучості та ін. властивостей. Знач. прогресу в роз­робленні та отриманні сучас. К. м. досягнуто завдяки розвитку вироб-ва ниткоподіб. кристалів і тугоплав. волокон на основі карбідів та оксидів. Ниткоподібні кристали з карбіду кремнію, що мають високу міцність та здатність зберігати пружні властивості при високій т-рі, розглядають як один з пер­­спектив. наповнювачів алюмініє­вих та ін. матриць. Однак використання ниткоподіб. кристалів стримується через труднощі їх сертифікації та ушкодженість при поєднанні з матрицею К. м. Нині повною мірою здійснюється промисловий випуск високоміц. оксид. волокон. Ними армують К. м. з метал. та кераміч. матрицями. У К. м. з наповнюва­чем із дисперс. частинок ефект зміцнення зумовлений механізмом обходу частинок наповнювача дислокаціями. Армуючі частинки (оксиди, карбіди, бориди, нітриди) створюють перешкоди для ковзання дислокації при застосуванні навантаження. Ступінь зміцнення цих композитів обернено пропор­ційний середній відстані між час­тинками і їх розміром, залежить також і від рівномірності розподілу частинок в матриці. Найефективніше зміцнення утворюється при розмірі частинок мен­ше 0,1 мкм з відстанню між ни­­- ми 0,01–0,3 мкм та кількістю бл. 2–10 %. Дисперсно-зміцнені К. м. здатні при підвищеній т-рі зберігати високий рівень текучості та опір повзучості матриці. Особливе місце серед су­­час. К. м. належить вуглец. волокнам, які називають матеріалом третього тисячоліття через їхній вплив на прогрес в різноманіт. галузях техніки. Завдяки своїм високим міцності та модулю пружності, низькій щільності, електро- і теплопровідності, хім. інертності ці матеріали дозволили вирішити низку склад. тех. проблем у авіакосм. техніці, зокрема щодо зменшення ваги літал. апаратів. З вуглец. ниток, складених з пучків волокон (філаментів), виготовляють стрічки, тканини, полотна, які вводять в К. м. За питомими мех. характеристиками (відношення міцності та модуля пружності до питомої ваги) високоміцні та високомодул. вуглец. волокна в 5–8 разів переважають сталь, алюміній і сплави. Нині на основі вуглец. волокон створюють переважно полімерні композити для авіа-, ракето- й автомобілебудування (деталі кузова, кардан. вал, газові балони), текстил. машинобудування (рами верстатів, рапіри), вітроенергетики (лопать повітр. турбіни, проводи), буд-ва (створення та ремонт мостів, ту­­нелів, будівель, колон), меди­ци­ни (протези, імплантати), нафто­­добування (деталі платформ). Вагомий внесок у розвиток К. м. зробили укр. вчені під кер-вом акад. АН УРСР І. Францевича та проф. Д. Карпиноса. Теор. і екс­пе­­римент. дослідження в Ін-ті проб­лем матеріалознавства НАНУ (Київ) увінчалися розробленням нових високотемператур. К. м. для ракетно-косм. техніки, що вирішило питання тепл. захисту деталей, які працюють при високих т-рі, тиску та швидкості аеродинам. потоку. К. м., розроблені представниками укр. школи, застосовують в різнома­ніт. галузях пром-сті як в Україні, так і за кордоном. Остан. часом зусилля укр. матеріалознавців знач. мірою спрямовано на ство­рення керам. К. м. Розроблення композитів з керам. матрицею спричинене необхідністю підвищення міцності до розтягнення, в’язкості руйнування, тер­­мостійкості при експлуатації в умовах високих т-ри, мех. навантажень та у короз. середовищі. Одним з ефектив. способів збільшення в’язкості руйнування кераміки є армування ке­­рам. матриці керам. волокнами. Механізм підвищення міцності цих К. м. полягає у відхиленні траєкторії магістрал. тріщини, її розгалуженні та, як наслідок, підвищенні розсіювання енергії під час руйнування мате­ріа­­лу. Для підвищення тріщино­стійкості корунд. матриці (Al2O3) використовують армування сап­фір. волокнами з піровуглец. по­­криттям. Встановлено, що критич. коефіцієнт концентрації на­­пруження (К) такого К. м. в 2–3 рази вищий, ніж незміцненої матриці. Значна кількість пер­спектив. К. м. нині знаходяться ще на стадії лаборатор. досліджень, однак осн. перевага їх в тому, що вони дають можливість широкого варіювання вла­­стивостей, задоволення різноманіт. вимог до конструкцій.

Літ.: Карпинос Д. М., Тучин­ский Л. И., Вишняков Л. Р. Новые композицион­ные материалы. К., 1977; Композицион­ные материалы: Справоч. К., 1985; Кар­пинос Д. М., Тучинский Л. И., Сапожни­кова А. Б., Грудина Т. В., Вишня­ков Л. Р., Шафит М. Я., Михеев В. И. Компози­ци­онные материалы в технике. К., 1985; Композиционные материалы: Спра­воч. Москва, 1990; A. Evans, C. San Marchi, A. Mortensen. Metal Matrix Composites in Industry. Dordrecht; Boston; London, 2003; K. K. Chawla. Ceramic Matrix Com­posites. Boston; Dordrecht; London, 2003.

Л. Р. Вишняков

Стаття оновлена: 2014