§2 Что такое композиционные материалы Прорыв в новые области знаний, технологий, создание изделий с требуемыми свойствами, резкое улучшение экономических показателей, обретение технико-экономической независимости вследствие отказа от использования традиционно приемлемых материалов - все это возможно только благодаря современным материалам - новым композиционным материалам. Композиционные материалы (КМ, композиты) - многокомпонентные материалы (рис.5), состоящие из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью рис.5 и т.д. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам, и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса. Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в XVIII веке (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины XX века. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель. А вот другой пример. Первые композиционные материалы на основе полимеров — битумную смолу, наполненную тростником,— использовали для строительных целей в Древнем Вавилоне более 5000 лет назад. Известно, что в Египте и в государствах Месопотамии в третьем тысячелетии до н.э. из этого же материала строили речные суда. Если внимательно проанализировать искусство мумифицирования, распространенное в Древнем Египте, то в основе его также можно найти способ получения композитов. В самом деле, тело после соответствующей обработки обматывали лентой из ткани и пропитывали природной смолой с образованием жесткого кокона. Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного в наши дни композиционного материала - древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), выдерживающие большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 году до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4-6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями. Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы - металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы - полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям. Для создания композита используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло - и графитопласт (ткань или намотанное волокно из рис.6 стекла или графита (рис.6), пропитанные эпоксидными клеями), фанера. Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом. В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр. [2,c.135]. По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами - кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации, размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси. В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок. 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 дисперсно-упрочненные 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 - нового класса композиционных материалов - еще меньше и составляют 10-100 нм. Композиционные материалы обладают преимуществами и недостатками. Главное преимущество КМ в том, что они очень прочны и жестки. Композиционные материалы обладают высокой износостойкостью и усталостной прочностью (долговечностью). Кроме этого, они обладают легкостью. Также, из них можно изготовить размеростабильные конструкции – конструкции, которые сохраняют свои размеры при различных воздействиях. Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно. К сожалению, многие композиционные материалы обладают недостатками. Цены на них высоки, с чем и борются материаловеды. Для создания КМ необходимо специальное дорогостоящее оборудование и сырье, что приводит к повышенной наукоемкости производства[2, c.241]. C давних времен люди испытывали нужду в таких материалах, в которых бы сочетались несколько физических свойств сразу. В нынешнее время ситуация не изменилась. Композиционные материалы задействованы почти во всех областях. Например, простейших композиционных материалов. Из КМ делают автомобильные покрышки и лодки рис.7 из стеклопластика (стекловолокнистого наполнителя). Кроме этого, они входят в состав удилищ для рыбной ловли. Композиты нашли применение и в спорте. Из них делают оборудования для горнолыжного спорта – палок и лыж. Композиционные материалы нашли применение в машиностроении. В этой области они широко применяются для создания защитных покрытий на трущихся поверхностях (рис.8), а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания, например, поршней. Защитное покрытие имеет низкий коэффициент трения, 0,01 и менее. КМ рис.8 нашли применение и в авиации и космонавтике. В этих областях с 1960-х годов существует необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов. Композиты также используются в военной технике. Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) они применяются для производства различных видов брони, например, бронежилетов [5]. Но основное использование они получили в быту и строительстве. Применение композиционных материалов в этих областях будет рассмотрено в следующем параграфе моего реферата.