Структура композиционных материалов
Композиционный материал (композит) – это многокомпонентный материал, который изготовлен из двух и более компонентов с различными химическими и/или физическими свойствами, в сочетании приводящих к появлению нового материала с характеристиками, отличающимися от характеристик компонентов и не являющихся их простой суперпозицией.
По структуре композиты делятся на волокнистые, упрочненные частицами, нанокомпозиты и дисперсно-упрочненные. Волокнистые материалы армированы волокнами и нитевидными кристаллами. Небольшое содержание наполнителя в таком материале приводит к появлению качественно новых механических свойств. Также широко варьировать свойства материала позволяет изменение ориентации, размера и концентрации волокон. В слоистых композитах наполнитель и матрица располагаются слоями, примером такого материала является особо прочное стекло, армированное несколькими слоями полимерных пленок. Микроструктура остальных композиционных материалов характеризуется следующим образом: матрица заполняется частицами армирующего вещества. Различаются такие материалы размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше микрометра, а содержание составляет 20-25 %, в состав дисперсно-упрочненных материалов входит от 1 до 15 % частиц размером от 0,01-0,1 микрометра. Размер частиц в нанокомпозитах составляет 10-100 нанометров.
История создания композиционных материалов
Первым создателем композиционных материалов была природа. Зубы, кости животных, стволы деревьев обладают характерной волокнистой структурой. Такая структура состоит из сравнительного пластичного матричного вещества и прочных и твердых веществ в форме волокон. Такие природные образования, как минералы тоже могут рассматриваться как композиционные материалы. Например, нефрит состоит из плотно упакованных игольчатых кристаллов, которые связаны друг с другом на поверхности раздела, таким образом обеспечивается высокая вязкость разрушения.
История использования и развития композитов связана с производственной деятельностью человека. Более миллиона лет назад людьми сознательно использовали природные композиционные материалы - кости животных, кожу, древесину. За 5 тысяч лет до нашей эры для изготовления изделий из глины в нее добавлялись песок, измельченные камни, солома, камыш и т. п. с целью снижения усадки, а также уменьшения растрескивания и увеличения прочности. В Библии упоминается, что за 4000-2000 лет до нашей эры жители Вавилона использовали в строительстве материалы на основе тростника, который пропитывался битумом. Позже из них древние египтяне строили свои суда. В Азии более чем за 1000 лет до нашей эры изготавливали луки и стрелы из композитов, в которых использовались древесина, слои рога, сухожилия животных. Данные луки характеризовались большой убойной силой и радиусом действия. В Китае, Индии в качестве связующего широко использовался шеллак (сложная смесь полиэфирных смол природного происхождения). Он смешивался с песком, масса спекалась и получались точильные камни. В 1555-1560 годах при постройке храма Василия Блаженного в Москве строители Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты.
В некоторых источниках первым специально созданным композитом называют железобетон, который запатентовал в 1867 году французский ученый Монье. Железобетон относится к первым образцам армированной керамики. Первый патент на полимерный композиционный материал был выдан в 1909 г. Его структура предусматривала упрочнение синтетических смол природными волокнами. Армировали первые полимерные композиты рубленными природными волокнами, целлюлозной бумагой, а также льняными и хлопчатобумажными тканями. В описании технологии изготовления первого фанерного самолета братьями Райт указано, что для защиты крыльев из фанеры от дождя и прочих атмосферных воздействий они оклеивались тканью, которая предварительно пропитывалась смолой. Далее в истории развития композиционных материалов можно выделить следующие события:
- В 1935 году были запатентованы первые полимерные композиты - стеклопластики, в которых в качестве упрочняющего элемента использовались неорганические волокна. Масштабное производство стеклопластиков было налажено после Второй мировой войны.
- В 1941 году в Соединенных Штатах Америки был подписан правительственный контракт на создание материала из хлопкового волокна, который пропитывался фенольной смолой. Целенаправленно стеклопластики в авиастроении начали использовать в 1943 году, когда из них стали изготавливаться кресла летчиков и облицовываться кабины.
- В 1940-1950 годах появляются современные композиционные материалы - полимерные, керамические, металлические и другие. Их создание и совершенствование продолжается и сейчас.
- В 50-х годах 20 века было обнаружено, что некоторые материалы в виде тонких монокристаллов игольчатой формы обладают высокой прочностью около 10000 мегаампер. Были получены новые виды неорганических поликристаллических волокон - углеродные, борные с прочностью 3000-3500 мегаампер.
