Учёные коты уже рассказывали про сталь, монокристаллы, полимеры, отдельно про резину и ещё много всякого, связанного с материалами. А вот про вершину человеческой мысли в этом вопросе - Композиционные Материалы - ещё не рассказали.
"Не надо так!" - подумал я и решил исправить эту несправедливость.
Лезть в глубину композитов без разогрева может быть больно и трудно. Поэтому сей текст - важная прелюдия, во время которой мы поближе познакомимся с компонентами, из которых состоят композиционные материалы.
Что же такое композит?
Это когда в одном материале соединяют (но не смешивают!) несколько компонентов для получения, казалось бы, невозможных свойств. Углепластик, например, обладает прочностью на разрыв примерно как у авиационного титана, но при этом обладает ВТРОЕ меньшей плотностью (весом). Солидно, не так ли?
Если говорить конкретно, то условий для бытия композитом всего три:
1) Компонентов должно быть хотя бы два - одна принимающая Матрица и один входящий в неё Наполнитель. Но можно и больше, если всем понравится и влезет без ущерба для матрицы.
2) Наполнителем считается только то, что сохраняет отличие от матрицы, не смешивается с ней. Поэтому сплавы металлов - не композиты.
3) В итоге должен получиться материал - спасибо, Кэп. (Генетический материал не считается.)
В целом на этом можно было и закончить, но знакомство будет неполным, если мы не пройдемся по кандидатам подробнее.
Матрица.
Большинство матриц - это прекрасные дамы, которые вроде и сами могут со всем справиться, но без поддержки оно как-то тяжко и грустно, не каждый удар судьбы получится выдержать.
Они делятся на три группы:
1) Полимерные матрицы - молодые и доступные девицы. Иногда привередливые, но в целом согласны на всё. Особенно любят длинное и прочное волокно, да побольше! - порой до 70% объема готовы отдать наполнителю. С другой стороны - блестящему металлу тоже будут рады, даже если он - порошок и длины не имеет совсем.
Примеры полимерных матриц - различные отвердевающие смолы (эпоксидка, ФФС), каучуки (резина, короче), чуваки с приставкой "поли-" и многие другие.
2) Металлические матрицы - девушки постарше, посерьезнее, самостоятельнее полимеров. Размер им не важен - в силу определенных причин с короткими ребятами у них всё складывается даже лучше. Главное чтобы кандидаты могли выдержать условия введения, режим работы и при этом обладали бо́льшей прочностью. Хотя и последнее вовсе не обязательно - в случае с дисперсными (порошковыми) наполнителями получается настоящий фемдом, при котором матрица выполняет основную работу, а наполнитель просто держит её в тонусе.
Примеры - алюминий, никель, титан.
3) Керамические матрицы - похожи на металлические матрицы в гипертрофированном виде. Недоступные босс-леди, уже добившиеся в жизни всего. Наполнители им нужны только для защиты от трещин в стрессовых ситуациях либо для регулирования дополнительных свойств (например, теплопроводности), всё остальное они обеспечат сами.
Однако и требования к кандидатам в большинстве случаев соответствующие - нужно и температуру запредельную выдерживать (керамика часто используется там, где плавится металл), и прочностью достаточной обладать. Обычно на эту роль подходят тугоплавкие оксиды.
Примеры - не только оксиды Al и Si, но и различные карбиды, нитриды и т.д. Камушки, очень грубо говоря.
Наполнитель.
Обычно - настоящие альфа-самцы, берущие на себя всю тяжелую работу в ответ на заботу со стороны матрицы (и доступ к ее внутреннему миру). Хотя, как упоминалось выше, есть и исключения. Наполнители столь же разнообразны с точки зрения природы, как и матрицы. Металлы, керамика, полимеры - всё это встречается и здесь. Однако в их случае огромную роль начинают играть размер и форма. По ним классификацию и проведем.
1) Дисперсные (нульмерные) наполнители. Те самые крепкие орешки, которые чаще всего упрочняют металлы и керамику. Применяются в случаях, когда форма не имеет значения, ну или когда создавать волокно слишком сложно или дорого. Хорошие примеры - технический углерод и песок, массово применяются в резине и бетоне соответственно. Дешево и сердито. Однако в особо щепетильных ситуациях, например, под запросы керамической матрицы, собирающейся в космос, приходится тщательно подбирать размер, форму и расстояние между частицами после их внедрения.
2) Волокнистые (одномерные - одно измерение кратно больше других) наполнители. Нравятся всем матрицам и технологам. Во-первых - потому что длина - это зачастую плюс. Порой замена порошка на волокна позволяет уменьшить массу дорогого наполнителя на десятки процентов! Во-вторых - потому что проблем создают не так уж много. Да, иногда приходится знатно попотеть, чтобы изготовить борные волокна или нити тугоплавких металлов (это вам не овечек стричь). Но обычно хватает простых и относительно дешевых природных (хлопок и т.д.), синтетических (полиэфирные, полиамидные и пр.), стеклянных или, на крайняк, углеродных волокон.
3) Двумерные наполнители (листы, ленты, ткани, сетки, пленки, бумага) - упорядоченные группы волокнистых ребят, либо просто по жизни ровные пацаны. Первые обожают толпой упрочнять полимеры - в результате получаются материалы, способные выдержать умопомрачительные нагрузки вдоль плоскости наполнителя. Вторые используются не так часто, но если вы любитель сэндвич-панелей или тонкая нежная пленка в поисках твердой опоры - эти парни для вас.
Изготавливаются из всего, что можно превратить в волокна, и даже больше - иногда нить не получается, но можно сделать лист с дырками, бумагу или просто плоские кусочки. ДСП, пропитанный смолой - это тоже композит с двумерным наполнителем, да.
Причем из одного и того же стекловолокна, например, можно сделать и лист (прессованием), и ленту, и стеклоткань сплести (разным плетением), сильно отличающиеся по свойствам. В общем, эти ребята жутко разнообразные.
4) Трехмерные (объемные, каркасные) наполнители. По сравнению с предыдущими группами встречаются настолько редко, что о них порой и не вспоминают вовсе либо объединяют с двумерными. В большинстве случаев нагрузки распространяются вдоль оси или в плоскости, а, значит, проще уложить штабелями ткани. Но все же изредка возникает необходимость и в специалистах по работе с трехмерными нагрузками. Обычно изготавливаются в виде тканей объемного плетения или открытопористых структур (рис 5 и 6).
На этом знакомство с компонентами можно закончить. Теперь вы готовы погрузиться в богатый внутренний мир композиционных материалов. Дальше начинается сложная, но изящная “магия” взаимодействия компонентов!
Что же такое происходит между матрицами и наполнителями? Откуда берутся уникальные свойства композитов? Почему иногда прочность наполнителей важна, а иногда - нет? По этим вопросам мы пройдемся в следующих частях, посвященных механизмам упрочнения композиционных материалов.
Автор: Александр Морозов.
