Матеріали армовані

МАТЕРІА́ЛИ АРМО́ВАНІ — композиційні матеріали, які складаються з основи (матриці) й армувального матеріалу (арматури, армівки). Армува­н­ня волокнами здійснюють пере­важно для зміцне­н­ня матрич. основи під час виготовле­н­ня кон­струкц. композиц. матеріалів. Волокна також можуть створювати у матеріалі особливі функціонал. властиво­сті (електрофіз., триботех., стійкість до ерозії та ін.). М. а. були ві­домі ще до н. е., зокрема у Давній Греції заліз. стрижнями зміцнювали мармур. колони. Перший пром. М. а. — залізобетон — почали за­стосовувати на­прикінці 19 ст. У сучас. М. а. армувал. волокна мають бути міцними, жорсткими, хімічно стійкими, з невисокою густотою та зі стабіл. властивостями у ви­значеному діапазоні т-р. Технологічність волокон об­умовлюється здатністю зберігати структуру та властивості в процесах виготовле­н­ня М. а. під час по­єд­на­н­ня з матрицею та набувати міцних звʼязків з матрич. матеріалом. Використовують дис­кретні та неперервні волокна, ниткоподібні кри­стали, проволоки, а також сітки та полотна різноманіт. сплеті­н­ня (тканина, трикотаж) і не­ткані структури. Під час створе­н­ня кон­струкц. М. а. найчастіше за­стосовують неперервні надміцні скляні, вуглецеві, борні, карбід­окремнієві волокна, метал. проволоки, а також дис­кретні волокна та ниткоподібні кри­стали карбідів, оксидів, нітридів, боридів тощо. Матриця у М. а. забезпечує звʼязність волокон у композиті, порядок їхнього взаєм. роз­ташува­н­ня, роз­поділяє діючі напруже­н­ня по обʼєму матеріалу, унаслідок чого сприяє пере­дачі навантаже­н­ня на волокна та пере­розподілу його в процесі можливого руйнува­н­ня частини волокон. Матеріал матриці фіксує форму виробу, залежно від нього ви­значають метод виготовле­н­ня М. а., а також параметри технол. процесу. Під час формува­н­ня М. а. матриця повин­на забезпечувати змочуваність волокон і надійне зʼ­єд­на­н­ня з ними. Міцність матеріалу матриці є ви­значальною при зсув. навантаже­н­нях і прикла­дан­ні сил у напрямках, які є від­мін­ними з орієнтацією воло­кон у М. а., а також при цикліч. навантаже­н­нях. Від матриці залежить рівень робочих т-р М. а., їхня хім. стійкість, теплофіз., електр. та ін. властивості. На рівень властивостей М. а. впливає границя роз­поділу волокон і матриці. Типи композитів з різними армувал. елементами: частинки, короткі волокна, неперервні волокна та пластини. М. а. з хаотич. орієнтацією арматури у просторі (частинки, дис­кретні або неперервні волокна) ізотропні або квазіізотропні. За напрямом роз­ташува­н­ня волокон роз­різняють одновісно-, двовісно- й обʼємно-армовані матеріали. Най­ефективніше зміцне­н­ня досягають паралел. орієнтацією неперерв. і дис­крет. волокон у М. а. Міцність під час роз­тягува­н­ня композита при армуван­ні неперерв. однонаправленими волокнами оцінюють за допомогою рівня­н­ня адитивності. Найбільший рівень міцності під час роз­тягува­н­ня для багатьох М. а. об­умовлений макс. обʼєм. часткою волокон, яку можна забезпечити без втрати цілісності композита унаслідок пере­рвності матрич. фази. У композитах, які містять однонаправлені дис­кретні волокна, напруже­н­ня на кожному волокні вздовж нього роз­поділяється нерівномірно та зро­­­стає від кінця до серед. волокна. Тому міцність під час роз­тягува­н­ня таких матеріалів зале­­жить від від­ноше­н­ня довжини волокна до його крит. довжини, яку можна охарактеризувати як мін. довжину, що до­зволяє роз­виватися напруже­н­ням, які руйнують волокно в його серед. точці. На властивості М. а. впливають дефекти мікро­структури: пори, мікротріщини, роз­шаровува­н­ня, порожнини тощо. Існують М. а. з метал., керам. і вуглец. матрицями. Для виготовле­н­ня металокомпозитів за­стосовують твердо- і рідкофазні процеси та методи осадже­н­ня–напиле­н­ня. Оскільки більшість метал. М. а. — термодинамічно нерівноважні системи, на міцність звʼязку волокон і матриці без­посередньо впливає між­фаз. взаємодія компонентів, особливо при під­вищених т-рах. Для збільше­н­ня стабільності структури та властивостей у ви­значеному температур. діапазоні матрицю, напр., із жароміц. сплавів, максимально насичуюють хім. елементами, що входять до складу волокна, або наносять на волокна протидифуз. барʼєри. З кон­струкц. композитів на основі легких сплавів у техніці найчастіше використовують М. а. на основі Al, армованого неперерв. сталевими, борними, оксид. і вуглец. волокнами. Вони мають високі міцність, жорсткість, електро- і тепло­провід­ність та малу густину. Викори­ста­н­ня Mg і сплавів на його основі як матрич. основи М. а., армованих високоміц. і високомодул. волокнами, до­зволяє створювати легкі кон­струкц. матеріали з під­вищеною питомою міцністю та модулем пружності. Армува­н­ня Ti та сплавів на його основі волокнами здійснюють для під­вище­н­ня жорсткості та роз­шире­н­ня діапазону робочих т-р до 973–1073 К. Для цього за­стосовують метал. проволоки (Mo, Be), а також волокна SiC і B. У результаті роз­робле­н­ня М. а. на основі Ni і Co вдалося досягти під­вище­н­ня праце­здатності матеріалів при т-рі на 100–150 К вищій, ніж граничні робочі температури нікел. супер­сплавів. З цією метою як армувал. матеріали вводять ниткоподібні кри­стали, проволоки тугоплав. металів, керам. і вуглец. волокна. На практиці ниткоподібні кри­стали, напр., оксидів Al, Mg, Zr, SiC, через труднощі щодо їхнього пере­робле­н­ня та введе­н­ня в матрицю, по­ступаються до­ступнішим, хоча й менш міцним, проволокам з W, Mo і сплавів на їхній основі. Ефектив. високотемператур. матрицями для М. а. є керам. матеріали. Завдяки армуван­ню волокнами в цих композитах вдається подолати властиві кераміці низькі рівні міцності під час роз­тягува­н­ня, опір тепл. удару й удар. вʼязкості. Під час отрима­н­ня М. а. на основі кераміки використовують метал., вуглец. і керам. волокна. Під час введе­н­ня в кераміку метал. волокон (W, Mo, сталь, Nb) у композиті утворюється пластич. каркас, здатний забезпечити цілісність деталей після можливого роз­тріскува­н­ня матриці та зменшити ймовірність ката­строфіч. руйнува­н­ня М. а. З композитів, армованих вуглец. волокнами, най­ґрунтовніше досліджені М. а. зі скляною матрицею (бор-, алюмо-, літієво-силікатне та кремнеземне скло). Осн. сферами за­стосува­н­ня М. а. є аерокосмічна галузь, автомобіле- та суднобудува­н­ня, енергетика.

Завантажити статтю