Теоретические сведения. Композиционными называют материалы, синтезированые из двух или более исходных материалов, одни из которых являются матри­цей

Композиционными называют материалы, синтезированые из двух или более исходных материалов, одни из которых являются матри­цей, а остальные - армирующими наполнителями, связанными друг с другом силами межатомного взаимодействия, но не образующие в процессе создания или эксплуатации продуктов химического взаи­модействия.

Компонент, непрерывный в объеме композиционного материала, называется матрицей или связующим, другой компонент - армирующий наполнитель - равномерно распределен в матрице и связан с мат­рицей прочными межатомными связями.

Композиты - это современный класс машиностроительных мате­риалов, который отличается от применяемых традиционных конст­рукционных материалов (сталь, сплавы алюминия, магния, титана, никеля и др.) необычно высокими свойствами: удельной проч­ностью, удельной жесткостью, удельной жаропрочностью, вибро­прочностью, коррозионной стойкостью, абляционной стойкостью и др. К настоящему времени создана обширная номенклатура компози­ционных материалов, различающихся между собой по разным призна­кам. Среди них важнейшее значение. для изделий авиационной и космической техники имеют композиционные материалы, армированные волокнами (ВКМ).

Волокнистые композиты могут различаться по материалу мат­рицы, материалу и ориентации волокон. Матрица может быть поли­мерной, металлической, керамической. Волокна могут быть стек­лянными, углеродными, борными, металлическими, полимерными, по­ликристаллическими или монокристаллическими из химических эле­ментов и соединений (оксидов, нитридов, боридов и др.). Ориентация волокон может быть заданной относительно оси детали или хаотичной. Длина волокон может быть непрерывной или дискретной.

Свойства композита определяются свойствами каждого из сос­тавляющих его элементов. Матрица обеспечивает сохранение гео­метрической формы и размеров изделия, она воспринимает внешнюю нагрузку и распределяет ее на все содержащиеся в ней волокна, защищает их от внешних механических и химических воздействий. Матрица определяет коррозионную стойкость композита и темпе­ратурные границы его эксплуатации. Волокна являются несущим компонентом композита. Отих свойств зависят прочность, жесто­кость, жаропрочность, вибропрочность и другие свойства ВКМ. Ориентация волокон может быть однонаправленной, раз но направлен­ной плоской и раз но направленной объемной (трехосной, четырехос­ной и т. д).

Таким образом, композит образуется сочетанием волокон и матрицы. Объемная доля волокон, содержащихся в матрице, может колебаться в широких пределах (от 15 до 70% и более) и зависит от физических и технологических свойств материалов обоих компо­нентов, схемы армирования, т. е направлений волокон в объеме де­тали, технологии изготовления. Обычно композиты на полимерной матрице наполнены волокнами до верхних предельных значений, а уровень армирования металлокомпозитов не превышает 40 - 50 %. Прочность однонаправленного композита σ_К вдоль волокон может быть приближенно определена из уравнения аддитивности:

где - прочность волокон и их объемная доля, соответственно;

- напряжения в матрице в момент разрушения образца.

С помощью аналогичных зависимостей могут быть определены модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность, некоторые физи­ческие характеристики.