Композиційні матеріали

Визначення і загальна характеристика

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 обʼємі матеріалу, та наповнювача — пе­реривчастого компонента у ви­гляді дис­крет. частинок різноманіт. форми, обʼ­єд­наних 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. зʼєд­на­н­ня, кераміку (оксиди, карбіди, нітриди), вуглець, скло та ін. ма­­теріали. Роль матриці полягає в на­дан­ні форми виробу із К. м. та в забезпечен­ні звʼязності 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 звʼязку з матрицею. При армуван­ні волокнами або дротами важливе значе­н­ня мають їхня орієнтація в обʼємі 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; V_B — обʼємна частка волокон; σ_м — напруже­н­ня в матриці під час руйнува­н­ня волокон. Для крихких волокон у пруж. матриці, зокрема для К. м. кераміка–кераміка, величина σ_м попередньо встановлюється спів­­відноше­н­ням Е_М/Е_В, де Е_М та Е_В — 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, вʼязкості руй­нува­н­ня, повзучості та ін. властивостей. Знач. про­гресу в роз­­роблен­ні та отриман­ні сучас. К. м. досягнуто завдяки роз­витку виробництва 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), будівництва (створе­н­ня та ремонт мостів, ту­­нелів, будівель, колон), меди­ци­ни (протези, імплантати), нафто­­добува­н­ня (деталі платформ). Вагомий внесок у роз­виток К. м. зробили укр. вчені під керівництвом академік АН УРСР І. Францевича та проф. Д. Карпиноса. Теор. і екс­пе­­римент. дослідже­н­ня в Ін­ституті 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 промисловості 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, вʼязкості руйнува­н­ня, тер­­мо­стійкості при екс­плуатації в умовах високих температури, мех. навантажень та у короз. середовищі. Одним з ефектив. способів збільше­н­ня вʼязкості 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_1с) 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

Завантажити статтю