В современном мире во многих областях человеческой деятельности на смену природным материалам пришли синтетические, получившие свое широкое распространение за счет более низкой стоимости и большого разнообразия свойств. Другим важным преимуществом синтетических материалов является возможность дальнейшего совершенствования существующих, создание новых материалов и технологий их получения путем подбора сырьевых материалов, их соотношения в сырьевой смеси, называемой композицией, и технологических параметров. Это позволяет оптимизировать свойства синтетических материалов под конкретные условия эксплуатации и расширить возможности их использования путем получения материалов с набором новых технологических и эксплуатационных свойств.
Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Самыми перспективными с точки зрения дальнейшего развития технологий получения и последующего применения являются композиционные материалы.
Композиционные материалы (композиты) (от лат. compositio – составление) - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. Это материалы, являющиеся результатом объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых пластичен (связующее, матрица), а другой обладает высокой прочностью и жесткостью (наполнитель, арматура), и при этом композиции имеют свойства, которых не имеют отдельные составляющие. Ясно, что в качестве как первого, так и второго компонента могут выступать самые разнообразные по природе и происхождению материалы. Известны композиты на базе металлов, керамики, стекол, углерода, пластиков и других материалов. В широком смысле слова практически всякий современный материал представляет собой композицию, поскольку все материалы чрезвычайно редко применяются в чистейшем виде. Эффективность и работоспособность КМ зависит от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, производства.
Принцип построения КМ человек заимствовал у природы. Типичными композиционными материалами являются стволы деревьев, стебли растений, кости человека и животных. В дереве волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином, в костях тонкие прочные нити фосфатных солей - пластичным коллагеном.
Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.
КМ позволяют иметь заданное сочетание разнородных свойств, которые нельзя достичь в металлических сплавах: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости, теплозащитных свойств и др. В результате применение КМ дает возможность создавать ранее недоступные, принципиально новые конструкции. Благодаря КМ стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей при уменьшении их массы, снижении габаритов и массы различных силовых конструкций, повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационнокосмических аппаратов, повышении энергоэффективности ограждающих конструкций и др.
Сегодня композиционные материалы используются практически во всех отраслях народного хозяйства. Это судостроение, строительство, мостостроение, биомедицина, энергетика, нефтехимия, двигателестроение, транспорт, сельхозтехника, дорожная инфраструктура и др. Области их применения продолжают расширяться.
Одним из компонентов композиционных материалов является арматура, или наполнитель, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, а другим компонентом – матрица (или связующее), обеспечивающая совместную работу армирующих элементов. В качестве матрицы используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы, в зависимости от типа которых композиционные материалы получают общее название.
Упрочнителями служат стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, боридов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При формировании композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих элементов композиций.
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно в зависимости от назначения получить материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т.п.
Композиционные материалы имеют высокую удельную прочность, жесткость (модуль упругости 130–140 ГПа), высокие износостойкость, усталостную прочность.
Но некоторые виды композитов имеют недостатки: высокую стоимость, анизотропию свойств, повышенную наукоемкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно, развитого промышленного производства и научной базы.
