Композиционные материалы

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (композиты), материалы, представляющие собой объёмное сочетание компонентов с чётко выраженной границей раздела. Состоят из матрицы (связующего) и равномерно распределённых в ней упрочнителей, или армирующих наполнителей. Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Матрица придаёт изделию из композиционных материалов заданную форму и монолитность; свойства матрицы определяют эксплуатационные характеристики (рабочую температуру, плотность, удельную прочность, сопротивление усталостному разрушению и воздействию окружающей среды) и технологические режимы получения композиционных материалов. Армирующие наполнители вводят в композиционных материалов с целью увеличения прочности, жёсткости и пластичности, а также изменения электрофизических, теплофизических характеристик в различных направлениях или отдельных местах изделия. Композиционные  материалы характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов в отдельности.

Композиционные  материалы классифицируют в зависимости от химической природы компонентов, а также размеров, формы и ориентации наполнителей. По материалу матрицы композиционные материалы разделяют на полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. По форме наполнителей различают дисперсно-упрочненные, волокнистые и слоистые композиционные материалы. Для армирования композиционные материалы применяются: для дисперсно-упрочнённых - мелкодисперсные порошки и наночастицы (металлические, стеклянные, углеродные и др.); для волокнистых - непрерывные и дискретные волокна (стеклянные, углеродные, борные, металлические, органические), нитевидные кристаллы (оксида и нитрида алюминия, оксида бериллия, карбида бора, нитрида кремния); для слоистых - ленточные, тканевые, сеточные (состоящие из любых видов волокон и их сочетаний) и др. Армирующий наполнитель в структуре композиционных материалов может располагаться хаотически или быть ориентированным; среди последних различают однонаправленные и перекрёстно-армированные (двумерно- и пространственно-армированные). Композиционные  материалы могут быть изо- и анизотропными; иногда в зоне армирующих наполнителей наблюдается анизотропия свойств композиционных материалов, а в целом - их изотропия. Наибольшее применение в технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиимидных и др.) и термопластичных связующих, армированные стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами; металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, армированные борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные матераилы на основе керамики, армированные углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

Многообразие армирующих наполнителей и матриц, используемых при создании композиционных материалов, позволяет получать материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Одним из направлений регулирования свойств является также создание гибридных композиционных материалов, содержащих более трёх компонентов - полиматричных и полиармированных. Например, локальное упрочнение материалов при чередовании слоёв волокнистого композиционного материала со слоями фольги из металла или стекла позволяет регулировать степень анизотропии свойств композиционного материала, улучшать его характеристики в зонах соединения. Одно из важнейших достоинств композиционных материалов - возможность создания элементов изделий с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы деталей и конструкций. Для получения композиционных материалов и изделий из них используют различные технологические процессы: твердофазные - прессование, диффузионная сварка; жидкофазные - пропитка армирующих наполнителей растворами и расплавами матрицы; газофазные - нанесение металлических и керамических матричных покрытий на армирующие наполнители (волокна, ткани).

Композиционные  материалы с комплексом присущих им специальных и функциональных свойств широко используются в различных областях техники: авиационной (например, при изготовлении лопастей вентиляторов для двигателей ЛА, фюзеляжа, крыльев, хвостового оперения), автомобильной (кузова автомобиля, детали двигателей), ядерной (твэлы, поглощающие элементы), медицинской (датчики кардиографов, подшипники для бормашин); также в судостроении (гребные винты, корпуса лодок и катеров), производстве средств защиты (бронежилеты), спортивного инвентаря (лыжи, вёсла, теннисные ракетки) и др.

Лит.: Композиционные материалы. М., 1978. Т. 1-8; Polymer matrix composites / Ed. by R. Е. Shalin. L., 1995; Технология производства изделий и интегральных конструкций из композиционных материалов в машиностроении. М., 2003.