композиционные материалы

композицио́нные материалы

(композиты), конструкционные материалы, состоящие из двух или более разнородных компонентов, объединённых одной основой (связующим или матрицей). Матрица может быть полимерной (эпоксидные, фенолоформальдегидные, полиэфирные смолы), металлической (сплавы Al, Mg, Ni, Cu, Ti), углеродной, керамической и др.; компоненты, или наполнители, – волокнистыми (нити, жгуты, короткие резаные волокна, нитевидные кристаллы), слоистыми (плёнки, пластинки, бумага), тонкодисперсными (металлические или керамические мелкодисперсные частицы). Матрица обеспечивает монолитность материала, передаёт наполнителю механическую нагрузку, определяет химические и теплотехнические свойства всего материала. Наполнители принимают на себя механическое напряжение, возникающее при работе композита, и тем самым определяют его механические свойства, гл. обр. прочность, твёрдость или жёсткость. Наиболее распространены материалы с полимерной матрицей, упрочнённые стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами или нитевидными кристаллами. Высокой прочностью и жаростойкостью отличаются металлические материалы, армированные углеродными или борными волокнами, стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой. Углеродные материалы армируют углеродными волокнами, керамические – жаростойкими волокнами из карбида кремния или углерода.

Физико-механические свойства композитов зависят как от количества упрочняющих частиц, так и от их взаимного расположения (ориентации). Часто используют материалы, состоящие из нескольких матриц (полиматричные) или наполнителей различной природы (гибридные), отличающиеся прекрасными эксплуатационными характеристиками. Так, напр., прочность на растяжение магниевого композита, упрочнённого волокнами нержавеющей стали, повышается в 5 раз, а удельная прочность – почти в 3 раза; медь, армированная волокнами вольфрама, может более 1500 ч работать при 400 °C; серебро, упрочнённое дисперсными частицами или нитевидными кристаллами оксида алюминия, в 3–4 раза прочнее чистого металла.

Металлические композиционные материалы изготовляют, пропитывая каркас из армирующих волокон наполнителя расплавом металла под давлением, совместным прессованием или прокаткой волокон с металлической фольгой при повышенной температуре. Полимерные композиты получают пропиткой наполнителя расплавом полимера с последующим прессованием, прокаткой или экструзией при повышенной температуре и давлении. Используют также методы порошковой металлургии, смешивая шихту из наполнителя и гранул полимера и подвергая затем эту массу спеканию, горячему прессованию или прокатке. Керамические композиты армируют непрерывными волокнами SiC, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Спеканием измельчённых компонентов в атмосфере инертного газа или в вакууме получают материалы с повышенной прочностью на изгиб, отличающиеся высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Композиты с керамической матрицей из оксидов Al, Be, Mg, карбидов W, Ti и наполнителями из дисперсных частиц тугоплавких металлов (т. н. керметы) огнеупорны при очень высоких температурах (до 2000 °C), прочны при повышенной нагрузке, стойки в химически агрессивных средах.

Композиционные материалы широко используют в качестве конструкционных, теплозащитных, режущих, износостойких, электротехнических и других материалов в строительстве, машиностроении, атомной и металлургической промышленности.