Композитные материалы представляют собой гетерогенные (разнородные по своему составу) структуры, получаемые путем соответствующих композиций из мягкого относительно низкопрочного материала — матрицы, и распределенными в ней непрерывными или дискретными высокопрочными волокнами (наполнителем). Свойства композитных материалов в значительной мере определяются структурой наполнителя и расположением волокон, а также природой связующего (матрицы).
В зависимости от наполнителя различают два вида композитов, структурные схемы которых представлены на рис. 12.
1. Композиты с дисперсными частицами (позиция 1). 2. Волокнистые композиты (позиция 2).
Последние, в свою очередь, можно разделить на однонаправленные композиты с дискретными волокнами (2а), композиты с непрерывными волокнами (2б) и композиты с непрерывными волокнами, ориентированными во многих направлениях (2в).
На практике наибольшее применение получили волокнистые композиты. Наиболее распространенной структурой волокнистых КМ является слоистая, когда армирующие волокна лежат в плоскости слоев, связь между которыми осуществляется через прослойки связующего. В слоистых волокнистых структурах толщина изделия создается набором плоских армирующих элементов — препрегов или слоев ткани, или пленки, с наклеенными на нее однонаправленными волокнами наполнителя. Наиболее широко распространенными материалами для формирования современных конструкционных композитных материалов являются стеклянные, углеродные, органические и борные волокна. На их основе разрабатываются также многокомпонентные материалы, в которых используется комбинированный наполнитель, например, сочетание органических и борных волокон, органических, углеродных и стеклянных и т. д.
В качестве связующего (матрицы) наиболее успешное применение при обычных температурах эксплуатации нашли эпоксидные смолы различных модификаций. При умеренных и довольно высоких температурах, достигающих 755°К применяются фенольные и полибезомидные смолы.
Широкое распространение композитных материалов обусловлено возможностью управлять всем комплексом физико-механических свойств этих материалов, обеспечивающих наилучшее воплощение передовых научных достижений.
При этом под механическими характеристиками принято понимать характеристики прочности и жесткости, используемые в расчетах несущей способности конструкции. К таким характеристикам относятся прежде всего
— предел прочности на разрыв σв;
— модуль упругости Е;
— предел прочности на сдвиг τв;
— модуль сдвига G;
— коэффициент Пуассона.
Под физическими характеристиками понимаются характеристики свойств материала: плотность, р, теплопроводность, ударная вязкость, а, диэлектрическая проницаемость, скорость распространения волн и т. д. Изменение механических характеристик композитных материалов определенным образом связано с изменением их физических характеристик. Основные механические характеристики типовых композитных материалов приведены в табл. 1. Там же для сравнения приведены усредненные характеристики традиционных конструкционных материалов — стали, алюминия, титана.
При сравнении материалов с различными механическими свойствами принято использовать объективные сравнительные критерии, которые позволяют оценить эффективность использования данного материала в конструкции. Такими критериями являются удельная прочность и удельная жесткость, которые характеризуются отношением предела прочности σв, модулей упругости Е и сдвига GK плотности материала. Эти характеристики определяют весовую эффективность данного материала. На рис. 13 приведены кривые изменения за последние 75 лет удельной прочности различных конструкционных материалов. Можно считать, что в настоящее время у таких традиционных конструкционных материалов, как сталь, алюминий, титан и др., повышение удельной прочности находится в стадии насыщения. Создание композитов, основанных на использовании стекловолокна, бороволокна, углеродного волокна позволяет получить такие удельные прочности, которые в несколько раз превосходят удельные прочности традиционных конструкционных материалов. При этом для композитного материала характерна тенденция к дальнейшему повышению удельной прочности.
