Введение

Научно-технический прогресс связан с созданием материалов с заранее заданными свойствами, к которым относятся композиционные материалы (КМ) – композиты. Им отведена решающая роль как материалам, обладающим неограниченными функциональными возможностями и обеспечивающим снижение массы изделий с одновременным повышением надежности, увеличение ресурса работы и эксплуатацию в экстремальных условиях.

В КМ реализуется возможность программирования свойств создаваемых материалов на основе свойств исходных компонентов, их доли, геометрической формы, расположения и размеров.

Первым создателем композиционных материалов была сама природа. Множество естественных конструкций (стволы деревьев, кости животных, скелеты насекомых, зубы людей и др.) имеют волокнистую структуру, которая состоит из сравнительно пластичного матричного материала и более твердых и прочных веществ, имеющих форму волокон. Так, например, древесина состоит из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого сечения, связанных между собой матрицей из органического вещества (лигнина), придающего древесине поперечную жесткость.

Человек еще на заре своего существования применял композиционные материалы при создании жилищ, оружия и др. Известно было, что лук из нескольких слоев дерева прочнее лука, не имеющего в своей конструкции границы раздела. Имеются сведения, что монгольские луки изготавливались из большого числа различных материалов, в том числе из сухожилий животных, древесины и шелка, соединенных с помощью клея.

Наука о композиционных материалах зародилась совсем недавно. Первым примером научного подхода к созданию искусственных КМ можно считать появление железобетона и стеклопластиков. Как известно, бетон отлично сопротивляется сжатию и очень плохо выдерживает растягивающие нагрузки. Композиция из бетона и стальной арматуры, обладающая высокой прочностью на растяжение, объединяет в одном материале положительные свойства обоих компонентов. Железобетон можно отнести к числу первых образцов армированной керамики.

Первый патент на композиционный полимерный материал был выдан в 1909 г. Он предусматривал упрочнение синтетических смол природными волокнами.

Стеклопластики запатентованы в 1935 г. Это были первые полимерные материалы, в которых как упрочнитель использовались неорганические волокна. Промышленный выпуск стеклопластиков налажен после второй мировой войны, и с тех пор их интенсивно используют в технике.

В 50-х годах ХХ в. обнаружили, что многие материалы в виде тонких монокристаллов игольчатой формы обладают фантастически высокой прочностью (1000 кгс/мм2 и более). Были получены новые виды неорганических поликристаллических волокон – углеродные, борные с прочностью 300-350 кгс/мм2 и модулем упругости 30000-50000 кгс/мм2. Возникла идея использовать все эти сверхпрочные волокнистые материалы для армирования различных матриц, и в первую очередь металлов. История металлических армированных материалов насчитывает не более 20 лет, но успехи в этом направлении достигнуты значительные.

Разработаны теоретические основы упрочнения металлов волокнами, созданы композиции на алюминиевой, титановой, никелевой и других основах, обладающие значительно большей прочностью, чем стандартные промышленные материалы на соответствующей основе. Ведутся широкие работы по налаживанию промышленного выпуска этих КМ.

Интенсифицировались и работы по созданию керамических композиционных материалов. Железобетон – пример «макроармированной» керамики: в нем используют толстую арматуру, диаметр которой измеряется миллиметрами и десятками миллиметров. Сейчас разработаны «микроармированные» керамические материалы на основе различных оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др., диаметр тугоплавких армирующих волокон в которых составляет доли миллиметра или даже микрометры. За счет такого армирования удалось получить высокотемпературные керамические материалы с высоким сопротивлением термическим и динамическим нагрузкам, т.е. ликвидировать наиболее уязвимые места керамики.

Такие материалы, как боро- и углепластики, металлические композиции типа алюминий – бор и алюминий – графит, используются главным образом в условиях действия высоких нагрузок, когда первостепенную роль играет надежность конструкции, ее масса, а вопросы стоимости отступают на второй план – в сверхзвуковых самолетах, ракетах, космической аппаратуре, батискафах.