Общие сведения
Композиционный материал (сокращенно композит), состоит из основного материала - матрицы и упрочняющего компонента в виде волокон или твердых частиц. Компоненты композита разделены видимой поверхностью раздела. Соединение в композите минимум двух разнородных материалов создает сенергитический эффект получение качественно новых свойств, отличных от свойств каждого компонента в отдельности. Конструкционные композиты отличаются высокой удельной прочностью (характеризующей отношение прочности к плотности материала). В строительстве, наряду с известными композиционными материалами (асбестоцементом), все шире применяют новые виды композитов.
Чтобы понять участие матрицы и упрочнителя в формировании свойств композита, рассмотрим конкретный пример, относящийся к распространенному классу волокнистых композитов. Для несущих и ограждающих конструкций применяют большую группу полимерных композиционных материалов, упрочненных волокнами. К волокнистым композитам принадлежат стеклопластики, древесно-стружечные (ДСП) и древесноволокнистые плиты (ДВП), многие другие листовые, плитные и рулонные материалы.
Как указывалось, полимерный волокнистый материал включает два основных компонента: упрочняющие волокна (или ткань) и связующее (матрицу) - полимер или каучук. Сочетание в одном материале разнородных компонентов - волокна (стеклянного, асбестового, древесного или др.) и полимера создает легкий композиционный материал с высокой прочностью па растяжение и изгиб. В этом убедимся, анализируя прочность волокнистого композита с помощью простой модели: выделенного из композита параллелепипеда объемом, равным единице, армированного волокнами, расположенными параллельно.
Содержание волокна V(b) и матрицы V(m) дано в долях от объема композита, принятого за единицу, следовательно:
V(b) + V(m)= 1; V(m)=1-V(b).
Наполнение композита волокном обычно составляет 20-90%, т.е. V(b) = 0,2-0,9.
Осевое растягивающее усилие Р, воспринимаемое композитом, распределяется между двумя компонентами - волокном Р(b) и матрицей Р(m);
Р=Р(b)+Р(m).
Переходя к напряжениям, получим распределение напряжения в композите (при L=1):
Q(k) = Q(b)V(b)+Q(m)(1-V(b)).
В пределах упругой работы материала, согласно закону Гука,
Q(k)=e(b)E(b)V(b)+e(m)E(m)(1-V(b)).
Композит работает как единый материал, т. е. отсутствует проскальзывание волокна относительно матрицы, поэтому относительные деформации композита e(k), волокна е(b) и матрицы е(m) равны между собой:
e(k)= e(b)=e(m)=е.
Учитывая условие цельности композита, получим уравнение прочности волокнистого композита R(k) в следующей форме:
R(k)=[E(b)V(b)+E(m)(1-V(b))] e.
Следовательно, модуль упругости композита E(k) в рассмотренном случае формируется по правилу смесей:
E(k)=E(b)V(b)+E(m)(1-V(b)).
Графическую интерпретацию уравнения прочности композита рассмотрим применительно к стеклопластику, принимая модуль упругости стекловолокна Е(b)=60 000 МПа и полимерной матрицы E(m) = 2000 МПа, т. е. соотношение Е(b):Е(m) = 30: 1. В стеклопластике содержание волокна доводят до 80-90 %, армируя его не отдельными волокнами, а стеклотканью. А также из соотношения Р(b)/Р(m)=(E(b)/E(m))V(b)/(1-V(b)) видно, что усилие, воспринимаемое волокнами, возрастает по мере увеличения содержания волокна и его модуля упругости. Соответственно уменьшается доля нагрузки, передаваемой на менее прочную матрицу.
Прочность волокна при растяжении и модуль упругости зависят от его толщины. Диаметр высокопрочного стекловолокна с большим модулем упругости 3-7 мкм. Модуль упругости стеклопластика, армированного таким волокном, составляет 18 000-35 000 МПа, он в 10-20 раз более модуля упругости полимера. Следовательно, модуль упругости конструкционных полимерных композиционных материалов примерно такой же, как и цементного бетона.
Композиционные материалы часто называют материалами будущего из-за их легкости, сочетающейся с высоким модулем упругости и сопротивлением растяжению. Прогресс в этой области связан с применением тонкого "суперволокна" из материалов, модуль упругости которых примерно на порядок выше, чем модуль упругости стекла. Проводятся работы по получению непрерывных волокон бора, карбида кремния, углерода, а также бездефектных кристаллов оксида алюминия (сапфира), нитрида кремния и др. Стоимость этих волокон высокая, и они в первую очередь будут применяться в самолетостроении и в тех областях техники, где стоимость материала имеет второстепенное значение. Однако исторические аналогии (например, с алюминием) говорят о том, что через 10- 15 лет стоимость новых материалов снизится и по мере освоения производства они станут доступными для строительной техники.
Стеклопластики - это листовые материалы из стеклянных волокон или тканей, связанных полимером. Связующим веществом в стеклопластиках обычно служат фенолоформальдегидные, полиэфирные и эпоксидные полимеры. Выпускают три разновидности стеклопластиков: на основе ориентированных волокон, рубленых волокон и тканей или матов.
Стеклопластики с ориентированными волокнами (типа СВАМ - стекловолокнистого анизотропного материала) обладают большой прочностью (при растяжении до 1000 МПа), легкостью (их плотность1,8-2 г/см3), что в сочетании с химической стойкостью делает их эффективным материалом для строительных конструкций, емкостей и труб.
| 
