Композитные материалы (КМ) характеризуются следующим набором свойств:
- Не менее двух компонентов в составе, как правило, пластичной основы (матрицы) и наполнителей, обладающих специфическим химическим составом;
- Материалы, образующие эти компоненты, образуют производные свойства материала отличные от свойств исходных компонентов;
- В большом масштабе являются однородными, в маленьком масштабе - неоднородными;
- Свойства материала являются производными свойств исходных компонентов, содержащихся в материале в нужном количестве (больше определённого порогового значения).
Матрицей КМ принято называть непрерывный во всем объеме композитный материал. Армирующий элемент (наполнитель) - это разъединенный в объеме композиции элемент. Большая часть КМ определяется определенным набором свойств и характеристик.
Большинство материалов имеют установленный набор свойств. К примеру, жёсткость и хрупкость, высокий уровень сжатия и отсутствие растяжения являются отличительными чертами бетона. По этой причине, при монтаже фундаментов и других опор, зачастую применяют именно бетонные устройства. С другой стороны, металлы показывают высокую эффективность при работе на растяжение, они очень прочные и пластичные. Железобетон - это материал, который состоит из бетона и металла, объединяя в себе, с одной стороны, свойства, позволяющие работать на растяжение, с другой стороны, жёсткость, поэтому такие сооружения как балки, мосты и различные перекрытия, изготавливают из железобетона. Материалы, объединяющие в себе свойства, характерные для различных материалов, как правило, именуются композитными или композиционными.
Композиционные материалы используются человечеством на протяжении нескольких столетий. В качестве примера можно привести использование кирпича из глины в строительстве домов. С целью повышения прочности кирпичей смешивали древесные ветки и солому. Булатная сталь – это ещё один пример уникального древнего композиционного материала.
КМ дифференцируют по следующим основным характеристикам: методам получения, типу матрицы, особенностям кристаллической решётки и макростроению, виду армирующего элемента итд.
Матрица композиционного материала обеспечивает безопасность армирующих элементов, состоящих из него изделий от внешних воздействий, обеспечивает целостность, строение и форму, равномерно перераспределяет нагрузку по объему материала. Тип матрицы задаёт эксплуатационные свойства (рабочую температуру, плотность, удельную прочность и сопротивление воздействию внешних сред и разрушений) и задаёт технологические характеристики композита.
По видам матрицы композитные материалы разделяют на:
- Полимерные. Примерами являются различные смеси, термопласты и реактопласты.
- Металлические. Как правило, это различные сплавы из макронеоднородных фаз, а также материалы порошковой металлургической индустрии.
- Неорганические. Самые распространённые — это керамические полимеры, углеродные и минеральные полимеры.
- Комбинированные (полиматричные).
Важным моментом является равномерное распределение упрочняющих (армирующих) элементов по всей матрице. Характерными свойствами таких элементов обычно являются модуль упругости, твёрдость, высокая прочность. Армирующие элементы добавляют в композитные материалы для усиления теплофизических, электрических свойств, увеличения плотности, пластичности, прочности и жёсткости, модификации характеристик в отдельных местах и областях изделия.
Сам упрочняющий компонент при этом называют «наполнителем». Как правило, наполнителями являются элементы с не более, чем 1,5-2х кратным превышением уровня прочности матрицы. Упрочняющие (армирующие) элементы при соответствующей концентрации обеспечивают уровень прочности материала в 2-10 и более раз, по сравнению с уровнем прочности матрицы.
По геометрической форме наполнителя композитные материалы делятся на 3 вида:
- Дисперсные наполнители в порошкообразном виде с одинаковым порядком в трех измерениях.
- Наполнители композитных материалов, в которых один размер имеет превосходство над 2-мя другими. Это так называемые одномерные наполнители (армирующие и волокнистые вещества).
-
Двухмерные наполнители, размеры превосходят третий. Примеры элементов:
- Сеточные.
- Тканевые.
- Ленточные.
Наполнители для композиционных материалов
Создание прочного композиционного полимеросодержащего материала, то есть материала с усиленной совокупностью физико-химических свойств — это главное при получении композиционного материала, предназначенного для сооружения конструкций. Это достигается путём введения порошка аэросила, тонкодисперных наполнителей, армирующих наполнителей.
Одним из первых примеров проводящих полимерных КМ являются материалы, содержащие графит и углерод, состоящие из термоактивных и фенолформальдегидных смол, применявшихся для создания различных элементов электрических цепей (пр. резисторов). Далее увидели свет эластомеры из натуральных и синтетических каучуков, наполненные техническим углеродом. В наши дни различные наполнители — как дисперсные, так и волокнистые, улучшают электрофизические свойства КМ.
Дисперсные наполнители
Одним из самых часто встречающихся в природе видов наполнителей для полимерных материалов являются различные вещества неорганического и органического происхождения. Уменьшение стоимости композиций – это одной из главных целей использования дисперсных наполнителей. Чаще всего, это вещества в виде порошка, размер частиц которого находится в диапазоне от 2-10 до 200-300 мкм. Средний размер частицы, как правило, находится в пределах 40 мкм, но в наши дни для производства нанокомпозитов всё чаще применяются частицы размером 1 мкм. Диапазон степени наполнения дисперсных наполнителей в полимерных композитных материалах варьируется от нескольких процентов до 70-80%. В результате, такие ПКМ обладают ярко выраженным свойством изоптропности, но в случае асимметрических форм частиц могут иметь свойства анизотропии (как правило, для волокнистых наполнителей).
Одним из самых ценных свойств дисперсного наполнителя является его способность хорошо смешиваться с полимерной матрицей.
Для наполнителя важным показателем является тип связующего. Для лучшего сцепления с матрицей предпочтительно наличие не гладкой, а шероховатой поверхности сцепления матрицы (в случаях заполнения термопластов). Каталитическое воздействие на перевод связующего в твёрдое состояние происходит при заполнении реактопластов наполнителями.
Порошкообразные наполнители во многих случаях подвергаются воздействию поверхностно-активных веществ для уменьшения предрасположенности частиц к агломерации, увеличения адгезии, усиления свойств смачивания наполнителей в полимерах. Специально созданные реакционноспособные функциональные группы усиливают адгезию на пограничной поверхности «наполнитель-полимер».