Что такое композиты в физике. Композитные материалы: что это такое, свойства, производство и применение. Из чего состоят панели

Знакомит читателя с композитами на основе металлов и керамическими композитными материалами. Также в ней рассказывается об основных видах применения композитов.

• Органопластики с органическими волокнами естественного и искусственного происхождения. Легче, чем стекло- и углепластики. Отличаются высокой прочностью на удар, но низкой - на растяжение/изгиб. К пластикам этого типа относится, например, кевлар.
• Текстолиты, изготовленные из матрицы из полимера и тканей различной природы в качестве наполнителя. Некоторые текстолиты изготавливаются с матрицей из неорганических веществ (силикатов, фосфатов). Свойства материалов очень разнообразны, зависят от вида волокон ткани. Волокна производят из хлопка, асбеста, базальта, стекла, искусственных материалов и пр.
• Полимеры с порошковым заполнением (полиэтилены, полипропилены, смолы с различными наполнителями, например, тальком, крахмалом, сажей, карбонатом кальция и пр.) - разработано уже более 10 тыс. видов пластиков этого типа. Обратите внимание, что у нас можно купить различные наполнители и другое необходимое сырье для изготовления композитов.

Композиты на основе металлов

Металлокомпозиты изготавливают на основе многих цветных металлов, например, меди, алюминия, никеля. Для наполнения берутся волокна, устойчивые к высоким температурам, не растворяющиеся в основе. Чаще всего используются металлические волокна или монокристаллы из оксидов, нитридов, керамики, карбидов, боридов. Благодаря этому получаются композиты, гораздо более огнестойкие, прочные и износоустойчивые, чем исходный чистый металл.

Керамические композиты

Керамические композиты изготавливают методом спекания под давлением исходной керамической массы с добавлением волокон или частиц. В качестве наполнителей чаще всего применяются металлические волокна - получаются керметы. Они отличаются устойчивостью к тепловому удару, высокой теплопроводностью.

Керметы используются для производства износоустойчивых и термостойких деталей, например, газовых турбин, электропечей. Также они востребованы для изготовления режущего инструмента, деталей тормозных систем, тепловыделяющих стержней для атомных реакторов.

Применение композитов

Композитные материалы уже сейчас используются практически во всех областях производства. Их применяют:

• в строительстве;
• производстве безопасных и бронированных стекол для транспортных средств, витрин и дверей;
• медицинских протезов;
• покрытий для кухонных столов и основы для электронных плат;
• деталей и корпусов бытовых приборов;
• оконных рам и многого другого.

Это интересно: композиты с экстремальными свойствами востребованы в самолето-, авто-, судо- и ракетостроении. Они нужны при производстве деталей для космических аппаратов, атомных станций, спортивного инвентаря (например, легких и прочных велосипедов). Применяются для изготовления элементов приборов и оборудования, эксплуатирующихся в агрессивных средах и при высоких температурах.

Сегодня со стороны строителей к композитным панелям приковано огромное внимание. Эти усовершенствованные современные материалы позволяют создать редкий архитектурный стиль новому зданию. Используют композитные панели для фасадов, прослуживших длительное время. В результате их применения существенно улучшается внешний вид построек.

Их можно использовать в жарких и холодных регионах благодаря устойчивости к разным температурам. Облицовка фасадов таким материалом приводит к созданию внутри зданий благоприятного микроклимата и к тому же позволит снизить затраты на кондиционирование в летнее время года и отопление в зимнее.

Из чего состоят панели?

Алюминиевые композитные панели - это изделия, которые состоят из двух окрашенных листов алюминия. Структура этого материала выглядит следующим образом:

• защищающее покрытие, наделенное антикоррозийными свойствами;
• слой, в основе которого лежит грунтовка;
• высокопрочный алюминиевый лист;
• огнеупорный минеральный либо полимерный наполнитель, это может быть полиэтилен, полиуретан, полипропилен, полистирол;
• еще один слой высокопрочного алюминия;
• грунтовка;
• слой лака;
• защищающая пленка.

Каждая панель для придания большей прочности покрыта специальным составом. Все слои друг с другом соединены по особой технологии, благодаря которой изделие приобретает высокую устойчивость к расслаиванию. В зависимости от назначения с двух либо одной стороны на изделие может быть, кроме краски, нанесено лаковое покрытие против ржавчины, в результате у алюминиевой композитной плиты повышается износостойкость. Выпускается готовая продукция непрерывной лентой. Наличие большого разнообразия габаритных размеров очень удобно для потребителей.

Композитная панель изготавливается способом изгиба алюминиевых листов.

Желательно, чтобы радиус закругления при этом был самым маленьким, если он будет таким же, как и толщина пластины, значит, изделие отвечает всем нормативным стандартам. В процессе производства материал обретает точные плоскостные характеристики, при этом защитные и поверхностные красочные слои нанесены однородно.

Поверхность алюминиевых композитных панелей для фасада может копировать:

• древесину;
• штукатурку;
• кирпич;
• природный камень.

На строительном рынке встречаются алюминиевые композитные панели с эффектом благородного металла, что становится возможным благодаря способу гальванотехники.

Свойства монтажных профилей

Все монтажные профили делятся на 3 вида:

• открытая стыковка;
• стык с уплотнением;
• с использованием влагозащитного экрана.

Для того чтобы фасад из композитных панелей стал более жестким, часто применяют дополнительные элементы. На свойства этого изделия влияет наполнитель, который лежит в основе центрального слоя. Производители в начале изготовления такого изделия использовали полимерный материал в качестве наполнителя - вспененный полиэтилен.

Алюминиевый композит обладает:

• незначительным весом;
• неплохой пластичностью;
• хорошими шумоизоляционными свойствами.

Но у данного типа есть главный минус, который заключается в том, что полиэтилен горит, поддерживает процесс горения, плавится и выделяет вредный дым. Таких недостатков не имеют алюминиевые листы с минеральным наполнителем. В составе этого вспененного полиэтилена есть существенное количество антипиренов. Благодаря этим минеральным добавкам очень сильно меняются его физические свойства. В этом случае наполнитель загорается от открытого пламени, но если нет источника огня, сразу гаснет, а также он:

• не выделяет токсичного дыма;
• не течет.

Производителями из Китая и Европы выпускаются технологические новинки — наполнители А и А2 классов. Гидроокись алюминия является их базовым компонентом. Эти композитные фасадные панели входят в разряд негорючих. Они могут выдерживать 2–4 часа открытого огня. Однако это положительное свойство способствует тому, что готовые изделия тяжело сделать округлыми либо другой неправильной формы. Все дело в том, что у них отсутствует пластичность. Алюминиевые композитные панели стоят дорого.

Их применяют на сооружениях и зданиях с самыми жесткими противопожарными требованиями.

Композитные алюминиевые с сотовой структурой - это отдельно стоящий класс изделий. В них между двумя металлическими листами находится сеть алюминиевых тонких перемычек рисунков:

• сотового;
• сетчатого;
• линейного.

Они отличаются:

• прочностью на изгиб;
• легким весом;
• дороговизной.

Такая разновидность не обладает достаточной способностью поглощать шум и вибрацию. От механического воздействия они продавливаются.

Главные плюсы

Композитный материал выпускается в различных цветах. Изделия бывают однотонных цветов, а также копирующие текстуру естественных материалов:

• дерева;
• мрамора;
• гранита.

Лицевая сторона служит длительное время благодаря нанесенному лакокрасочному покрытию. К другим положительным свойствам относится простота разных процессов обработки. К примеру, благодаря фрезеровке на поверхности фасадных алюминиевых панелей можно делать технические отверстия. Легкость в обработке повышает в несколько раз сферу его использования. Конструкция материала позволяет преобразовать его в любую форму, сгибать и резать.

Результатом становится возможность использовать для отделки нестандартных построек, в которых предусмотрены купола, арки, пирамиды.

Вентфасад из композитных алюминиевых панелей обладает способностью ослаблять электромагнитные излучения. К прочим положительным свойствам относится возможность защитить стены от ветра и сырости. Небольшой вес не способен утяжелить здание. При облицовке композитом внешний вид стен будет пребывать в первоначальном состоянии длительное время, потому что такое покрытие устойчиво к погодным и химическим воздействиям. Благодаря тому что поверхность гладкая, на ней не скапливается пыль и грязь. Навесной фасад из композита ставить на высотные здания очень выгодно, потому что в этом случае поверхность обладает способностью к самоочищению.

Облицовка композитными панелями проводится в короткий срок. Они придадут сооружению стильный современный внешний вид, обеспечат ему значительные эстетические свойства.

Композитные материалы снижают потери тепла, безопасны с экологической точки зрения и не способны накапливать электричество. Они продолжительное время могут противостоять внешнему влиянию. Этот материал очень устойчив к воздействию ультрафиолетовых лучей. Композит почти никак не реагирует на агрессивные среды.

Облицовка фасада сооружений вредного производства рекомендуется именно таким видом композита.

Однако надо иметь в виду, что у материала имеются и минусы. Так изделие не является теплоизоляционным. Нужно учитывать его низкую пригодность к ремонту. В том случае если обшивка из композитных панелей повреждена, то отремонтировать достаточно сложно. При необходимости замены кассеты нужно будет менять и рядом находящиеся. У композитного материала низкого качества плита может расслаиваться, и тогда на фасаде образуются пузыри.

Области использования алюминиевых панелей

В наше время вентилируемые фасады из композитных панелей пользуются огромной популярностью. Экстерьеры всевозможных сооружений - это самая распространенная сфера применения. Композитный фасад состоит из многослойных алюминиевых панелей, которые применяются для внешней облицовки зданий.

Вентфасад, отделанный композитом, приобретает неповторимый современный внешний вид. При наличии еще и утеплителя можно достичь ощутимого сбережения электрической энергии без привлечения каких-либо дополнительных расходов на то, чтобы укрепить фундамент и несущие стены.

Монтаж вентилируемых фасадов прост благодаря тому, что есть возможность устанавливать панели на стенки из различного материала. При этом не надо их предварительно подготавливать, а значит, можно существенно сэкономить денежные средства. Легкий небольшого веса вентилируемый фасад из композитных материалов позволяет воплотить в реальность любую задумку дизайнера.

Этот материал нередко встречается во внутреннем пространстве общественных заведений в:

• торговых центрах;
• больницах;
• поликлиниках;
• аэропортах;
• вокзалах;
• автомобильных салонах;
• школах.

Это те места, в которых требуется прочный материал, способный в неизменном состоянии выдержать продолжительную эксплуатацию. Кроме вентилируемых фасадов, композит используется и в других местах. Его часто используют при реставрации здания, сооружении необычных конструкций для наружной рекламы, строительстве легких временных построек. Нередко алюминиевые композитные панели участвуют в сооружении различных декоративных карнизов, поясков, наружных подвесных потолков, в облицовке колон.

Фасады из композита позволяют сформировать современный архитектурный стиль. И все это стало возможным благодаря небольшому весу, простоте обработки, повышенной гибкости и разнообразию красок.

В истории развития техники может быть выделено два важных направления:

• развитие инструментов, конструкций, механизмов и машин,
• развитие материалов.

Какое из них главнее сказать сложно, т.к. они довольно тесно взаимосвязаны, но без развития материалов технический прогресс невозможен в принципе. Не случайно, историки подразделяют ранние цивилизационные эпохи на каменный век, бронзовый век и век железный.

Нынешний 21 век уже можно отнести к веку композиционных материалов (композитов).

Понятие композиционных материалов сформировалось в середине прошлого, 20 века. Однако, композиты вовсе не новое явление, а только новый термин, сформулированный материаловедами для лучшего понимания генезиса современных конструкционных материалов.

Композиционные материалы известны на протяжении столетий. Например, в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а древние египтяне добавляли рубленную солому в глиняные кирпичи. В Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прямыми предшественниками современных композиционнных материалов можно назвать железобетон и булатные стали.

Существуют природные аналоги композиционных материалов - древесина, кости, панцири и т.д. Многие виды природных минералов фактически представляют собой композиты. Они не только прочны, но обладают также превосходными декоративными свойствами.

Композиционные материалы - многокомпонентные материалы, состоящие из пластичной основы - матрицы, и наполнителей, играющих укрепляющую и некоторые другие роли. Между фазами (компонентами) композита имеется граница раздела фаз.

Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого существенно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Т.е. признаком композиционного материала является заметное взаимное влияние составных элементов композита, т.е. их новое качество, эффект.

Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, применяя специальные дополнительные реагенты и т.д., получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств.

Большое значение расположение элементов композитного материала, как в направлениях действующих нагрузок, так и по отношению друг к другу, т.е. упорядоченность. Высокопрочные композиты, как правило, имеют высокоупорядоченную структуру.

Простой пример. Горсть древесных опилок, брошенная в ведро цементного раствора никак не повлияет на его свойства. Если опилками заменить половину раствора - то существенно изменится плотность материала, его теплофизические константы, себестоимость производства и др. показатели. Но, горсть полипропиленовых волокон сделает бетон ударопрочным и износостойким, а полведра фибры обеспечат ему упругость, совсем не свойственную минеральным материалам.

В настоящее время в область композиционных материалов (композитов), принято включать разнообразные искусственные материалы, разрабатываемые и внедряемые в различных отраслях техники и промышленности, отвечающие общим принципам создания композитных материалов

Почему интерес к композиционным материалам проявляется именно сейчас? Потому, что традиционные материалы уже не всегда или не вполне отвечают потребностям современной инженерной практики.

Матрицами в композиционных материалах являются металлы, полимеры, цементы и керамика. В качестве наполнителей используются самые разнообразные искусственные и природные вещества в различных формах (крупноразмерные, листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные, микродисперсные, наночастицы).

Известны также многокомпонентные композиционные материалы, в т.ч.:

• полиматричные, когда в одном композиционном материале сочетают несколько матриц,
• гибридные, включающие несколько разных наполнителей, каждый из которых имеет свою роль.

Наполнитель, как правило, определяет прочность, жесткость и деформируемость композита, а матрица обеспечивает его монолитность, передачу напряжений и стойкость к различным внешним воздействиям.

Особое место занимают декоративные композиционные материалы, имеющие выраженные декоративне свойства.

Разрабатываются композитные материалы со специальными свойствами, например радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов, материалы с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости и другие.

Композиционные материалы используются во всех областях науки, техники, промышленности, в т.ч. в жилищном, промышленном и специальном строительство, общем и специальном машиностроении, металлургии, химической промышленности, энергетике, электронике, бытовой технике, производстве одежды и обуви, медицине, спорте, искусствах и т.д.

Структура композиционных материалов.

По механической структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты.

Волокнистые композиты армируются волокнами или нитевидными кристаллами. Даже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к существенному улучшению механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в триплексах, фанере, клееных деревянных конструкциях и слоистых пластиках.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов еще меньше и составляют 10-100 нм.

Некоторые распространеные композиты

Бетоны - самые распространенные композиционные материалы. В настоящее время производится большая номенклатура бетонов, отличающихся по составам и свойствам. Современные бетоны производятся как на традиционных цементных матрицах, так и на полимерных (эпоксидных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, акриловых и т.д.). Современные высокоэффективные бетоны по прочности приближаются к металлам. Популярными становятся декоративные бетоны.

Органопластики - композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже - природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, обладают относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе. К наиболее распространенным органопластикам относятся древесные композиционные материалы. По объемам производства органопластики превосходят стали, аллюминий и пластмассы.

В зарубежной литературе в последнее время становятся популярными новые термины - биополимеры, биопластики и соответственно - биокомпозиты.

Древесные композиционные материалы. К наиболее распространенным древесным композитам относятся арболиты, ксилолиты, цементностружечные плиты, клееные деревянные конструкции, фанеры и гнутоклееные детали, древесные пластики, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и балки, древесные прессмассы и пресспорошки, термопластичные древесно-полимерные композиты.

Стеклопластики - полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Стеклопластики обладают высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Углепластики - наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Матрицами в угепластиках могут быть как термореактивные, так и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики - очень легкие и, в то же время, прочные материалы.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы - наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С.

Боропластики - композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Пресспорошки (прессмассы). Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить др. Бакеланд (Leo H. Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола - вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бакеланд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал - бакелит - приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя - пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это - ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются в самых разных областях техники. Для наполнения термореактивных и термопластичных полимеров применяются разнообразные наполнители - древесная мука, каолин, мел, тальк, слюда, сажа, стекловолокно, базальтовое волокно и др,

Текстолиты - слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х г.г. на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывают смолой, затем прессуют при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины или фасонные изделия. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, а иногда и неорганические связующие на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон - хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат высокопрочные волокна, тугоплавкие частицы различной дисперсности, нитевидными монокристаллы оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3-15 мм и диаметром 1-30 мкм.

Основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей по сравнению с обычным (неусиленным) металлом являются: повышенная прочность, повышенная жесткость, повышенное сопротивление износу, повышенное сопротивление ползучести.

Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам - материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники - это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.

Композиционные материалы – это материалы, состоящие из двух или несколько компонентов, которые отличаются по своей природе или химическому составу, где компоненты объединены в единую монолитную структуру с границей раздела между компонентами, оптимальное сочетание которых позволяет получить комплекс физико-химических и механических свойств, отличающихся от комплекса свойств компонентов.

В широком смысле понятие «композиционный материал» включает в себя любой материал с гетерогенной структурой, т.е. структурой, состоящей из двух и более фаз.

Первым создателем композиционных материалов была сама природа. Множество природных конструкций (стволы деревьев, кости животных, зубы людей и т.д.) имеют характерную волокнистую структуру. Она состоит из сравнительно пластичного матричного вещества и более твердых и прочных веществ, имеющих форму волокон. Например: древесина – это композиция, состоящая из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого строения, связанных между собой матрицей из органического вещества (лигнина), придающего древесине поперечную жесткость.

Примерами композиционных материалов могут быть и такие природные образования, как минералы. Нефрит – состоит из плотноупакованных игольчатых кристаллов, связанных друг с другом на поверхностях раздела. Такая структура обеспечивает высокую вязкость нефрита и поэтому различные племена использовали его как материал для изготовления топоров.

Общая характеристика композиционных материалов

И их классификация

Внимание к композиционным материалам в последнее время непрерывно возрастает. Это объясняется тем, что возможности повышения механических свойств традиционных конструкционных материалов в значительной степени исчерпаны.

Композиционные материалы по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы. Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала.

Рис. 20.1. Удельные прочность и жесткость стали, титановых, алюминиевых сплавов и композитов (КАС-1, ВКА-1Б).

Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью данных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиции выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

По своему составу композиционные материалы состоят из основы (матрицы) и наполнителя (упрочнителя, армирующего компонента).

Основой (матрицей) композиционных материалов служат металлы или сплавы, полимеры, углеродные и керамические материалы.

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики как: рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, плотность и удельная прочность.

Созданы композиционные материалы с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев (двух и более) различного химического состава. Такие материалы называют полиматричными. Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность композиционных материалов в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

В матрице равномерно распределен другой компонент, называемый арматурой или армирующим компонентом, или, иногда наполнителем. Понятие «армирующий» означает – «введенный в материал с целью изменения свойств», но не несет в себе однозначного понятия «упрочняющий».

Армирующие компоненты должны обладать высокими прочностью, твердостью, и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу.

Свойства композиционных материалов зависят также от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы:

1. Нульмерные наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы);

2. Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна);

3. Двухмерные наполнители имеют два размера соизмеримых с размером композиционного материала и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

Нитевидная форма армирующих элементов имеет как положительные так и отрицательные стороны. Преимущество их состоит в высокой прочности и возможности создать упрочнение только в том направлении, в котором это требуется конструктивно. Недостаток такой формы заключается в том, что волокна способны передавать нагрузку только в направлении своей оси, тогда как в перпендикулярном направлении упрочнения нет, а в некоторых случаях может проявиться даже разупрочнение.

Наполнители, используемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства: высокую температуру плавления, малую плотность, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, технологичность, минимальную растворимость в матрице, высокую химическую стойкость, отсутствие токсичности при изготовлении и в эксплуатации.

Композиционные материалы, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными.

Если композиционные материалы состоят их трех и более компонентов, они называются гибридными.

Композиционные материалы классифицируются по нескольким основным признакам:

а) материалу матрицы и армирующих компонентов;

б) структуре: геометрии и рапсоложению компонентов;

в) методу получения;

г) области применения.

Рассмотрим некоторые классификационные характеристики композиционных материалов.

Введение

За последние несколько лет огромное внимание уделяется созданию и исследованию так называемых мультиферроиков - материалов, проявляющих одновременно ферроэлектрические и ферромагнитные свойства.

Мультиферроики могут быть реализованы как в монофазный, так и в композитной форме. Большинство из однофазных мультиферроичных материалов обнаруживают магнитоэлектрические свойства в низкотемпературных областях, главным образом, при криогенных температурах.

Альтернативу этим практически неприменимым однофазным мультиферроикам нашли в материалах, так называемых композитах, искусственно созданных материалах комбинацией двух фаз, например, комбинацией пьезоэлектрических и пьезомагнитных фаз или магнитострикционных и пьезоэлектрических фаз. Эти материалы сохраняют равновесные ферроэлектрические структуры при температурах, близких к комнатной. Они имеют большой магнитоэлектрический (МЕ) эффект, магнитострикционные и пьезоэлектрические фазы хорошего качества и относятся к так называемым мультифункциональным материалом. Главным достижением в производстве синтетических композитных мультиферроиков - это достаточно легкое и дешевое их изготовление и возможность контроля за молекулярным соотношением фаз и размером зёрен каждой фазы. Имеется и проблема, связанная с предотвращение возможной химической реакции на границах между ферроэлектрическим и магнитными фазами в течение синтеза, приводящей к потере, например, диэлектрических свойств. Вообще, в композитах размеры зёрен, форма и границы между зёрнами - основные элементы, приводящие при сохранении «родительских» свойств фаз к возникновению новых свойств. Так, известно, что может произойти усиление колоссального магнитного сопротивления (CRM), объясняемое в модели спин-поляризационного туннелирования появление непроводящих слоев-барьеров между зёрнами.

Передо мной тогда были поставлены задачи:

1) ознакомиться с литературой, посвященной композиционным мультиферроикам, представленного образца;

2) изучить свойства и структуру (La 0.5 Eu 0.5) 0.7 Pb 0.3 MnO 3 и PbTiO 3 ;

3) синтезировать в поликристаллическом виде PbTiO 3 и вырастить монокристалл (La 0.5 Eu 0.5) 0.7 Pb 0.3 MnO 3 ;

4) начать исследование магнитных, магнитоэлектрических и других свойств (1-х) (La 0.5 Eu 0.5) 0.7 Pb 0.3 MnO 3 +хPbTiO 3 .

Примеры композитов

Что такое композиты?

Композиционными называют материалы, образованные из двух или более разнородных фаз и обладающие характеристиками, не присущими исходным компонентам. Такое определение хорошо отражает идею композита, но является слишком широким, поскольку охватывает подавляющее большинство материалов и сплавов (например, стали, чугун, бетон и др.). По-видимому, лучшим будет другое определение: композиты - объемное монолитное искусственное сочетание разнообразных по форме и свойствам двух и более материалов (компонентов), с четкой границей раздела, использующее преимущества каждого из компонентов и проявляющее новые свойства, обусловленные граничными процессами.

Обычно композиты представляют собой основу (матрицу) из одного материала, армированную наполнителями из волокон, слоев, диспергированных частиц другого материала. При этом сочетаются прочностные свойства обоих компонентов. Путём подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношение, ориентации наполнителя, можно получить материал с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических характеристик.

Композит отличается от сплава тем, что в готовом композите отдельные компоненты сохраняют присущие им свойства. Компоненты должны взаимодействовать на границе раздела композита, проявляя только положительные новые свойства. Такой результат можно получить лишь в том случае, если в композиционном материале успешно объединены свойства компонентов, т.е. при эксплуатации композита должны проявляться только требуемые свойства компонентов, а их недостатки полностью или частично уничтожаются.

Таким образом:

Получаемый композит приобретает новые, лучшие свойства и, следовательно, может выполнять дополнительные функции (многофункциональный материал);

Характеристики композита лучше, чем у его компонентов, взятых по отдельности или вместе без учета граничных процессов;

Действия отдельных компонентов композита всегда проявляются в их совокупности с учетом процессов, происходящих на границе раздела фаз.

Активное применение композитов началось с начала 70-х годов, хотя идея применения двух и более исходных материалов в качестве компонентов, образующих композиционную среду, существует с тех пор, как люди стали иметь дело с материалами.

Цель создания композита - достичь комбинации свойств, не присущих каждому из исходных материалов в отдельности. Таким образом, композит может изготавливаться из материалов, которые сами по себе не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Так как эти требования могут относиться к физическим, химическим, технологическим и другим свойствам, то наука о композитах находится на стыке различных областей знания и требует участия исследователей различных специальностей.

Традиционный выбор материала и проектирование компонентов конструкции были отдельными задачами. Когда композиты стали вытеснять металлы и сплавы из таких областей, как самолето-, судо- и автомобилестроение, промышленный дизайн и выбор материала соединились и стали просто различными аспектами одного процесса.

Следует отметить, что наряду с конструкционной анизотропией композита существуют технологическая анизотропия, возникающая при пластической деформации изотропных материалов, и физическая анизотропия, присущая, например, кристаллам и связанная с особенностями строения кристаллической решетки.

По методу получения различают два вида композитов: искусственные и естественные. К искусственным относятся все композиты, полученные в результате искусственного введения армирующей фазы в матрицу, к естественным - сплавы эвтектического и близкого к ним состава. В эвтектических композитах армирующей фазой являются ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образованные естественным путём в процессе направленной кристаллизации.

По мере создания новых композитов «старые» виды классификации расширяются и могут возникать новые.

При изучении литературы, посвященной магнитным и магнитоэлектрическим композитам, я нашла следующие композиты на основе оксидов, которые синтезированы и изучены:

1. «MgFe 2 O 3 -BaTiO 3 » ;

2. «BaTiO 3 - (Ni, Zn) Fe 2 O 4 » ;

3. «La 0.67 Ca 0.33 MnO 3 -CuFe 2 O 4 » ;

4. «(La 0.7 Ca 0.3 MnO 3) 1-x /(MgO) x » ;

5. «La 2/3 Ca 1/3 MnO 3 /SiO 2 » ;

6. «La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 /Ta 2 O 5 » .