Матеріали армовані

Визначення і загальна характеристика

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 зв’язків 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 зв’язність волокон у композиті, порядок їхнього взаєм. розташування, розподіляє діючі напруження по об’єму 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 з’єднання 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 об’ємно-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. об’єм. 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 зв’язку 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. бар’єри. 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. в’язкості. 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