Композиционным материалом или композитом называют гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых друг в друге компонентов. Композиционные материалы состоят из относительно пластичной фазы - матрицы или основы и более твердых компонентов, являющихся наполнителями. Свойства композитов зависят как от свойств матрицы и наполнителя, так и от расположения наполнителя в матрице.
По типу расположения наполнителя, композиционные материалы подразделяют на дисперсно-упрочненные, волокнистые и слоистые.
Волокнистые композиционные материалы
Волокнистые композиты представляют собой матрицу армированную наполнителем или т.н. арматурой. Роль арматуры выполняют волокна различной формы: нити, стержни, ленты или сетки. Армирование волокнистых композитов может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме. Прочность и жесткость таких материалов определяется свойствами армирующих волокон. Технологически, волокнистые композиты получить намного сложнее, чем дисперсно-упрочненные композиты. К волокнистым материалам, которые применяются в промышленности можно отнести:
- полимеры на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными волокнами (стеклопластики), углеродными волокнами (углепластики), органическими волокнами (органопластики), борными волокнами (боропластики);
- металлические композиционные материалы на основе сплавов Mg, Al, Ti, Cu, Сг, Ni, армированных борными, углеродными или карбидокремниевыми волокнами. В этой группе, в качестве армирующего компонента может применяться стальная, молибденовая или вольфрамовая нить;
- композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы);
- композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными или жаростойкими волокнами.
Слоистые композиционные материалы
Слоистые композиционные материалы состоят из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала. Часто такую конструкцию называю сэндвич. Слои материала-наполнителя композита могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя с разными механическими свойствами. Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы. Ярким представителем слоистых композитов является материал на основе фенолформальдегидных смол с углеродным или стекловолокном. Такие материалы применяются в ракетно-космической отрасли.
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы
В дисперсно-упрочненные керамические материалы, для придания им высокой прочности, износостойкости и повышения других эксплуатационных свойств, вводят мелкие равномерно распределенные частицы карбидов, оксидов, нитридов и др. В этих материалах эксплуатационные свойства, также как и в инструментальных сталях и твердых сплавах, зависят от дисперсности частиц, их размеров и плотности распределения. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее композитный материал, но при этом он имеет более низкую ударную вязкость и пластичность. Частицы наполнителя создают эффективное сопротивление движению дислокаций вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсно-упрочненные композиты могут работать при достаточно высоких температурах.
В качестве наполнителя дисперсно-упрочненных композитов применяют частицы тугоплавких фаз типа Al2O3, SiO2, BN, SiC. В промышленности обычно применяют дисперсно-упрочненные композиты на алюминиевой или никелевой основе. Основными представителями этого вида композиционных материалов являются материалы из спеченной алюминиевой пудры - сплав САП. Эти сплавы состоят из алюминиевой матрицы, которая упрочняется частицами оксида алюминия.
На сегодняшний день применяются следующие марки сплава САП
- САП-1, содержащие 6-9% Al2O3
- САП-2, содержащие 9-13% Al2O3
- САП-3, содержащие 13-18 % Al2O3
При увеличении концентрации Al2O3 возрастает прочность композиционных материалов. Так, сплав САП-1 имеет σв = 270 МПа, σ02 = 210 МПа, а САП-3: σв = 410 МПа, σ02 = 330 МПа.
Сплавы САП применяют в авиационной промышленности для изготовления деталей с высокой прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300-500 °С.
