Механические и другие свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью упрочняющих компонентов, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-упрочнитель. Соотношение этих параметров характеризует весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения. Работоспособность композита обеспечивается, как правильным выбором исходных компонентов, так и рациональной технологией производства, обеспечивающей сохранение их первоначальных свойств.

 Многообразие упрочняющих и матричных материалов, а также схем армирования позволяет направленно регулировать прочесть, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и др.

 Для волокнистых композиционных материалов существует несколько классификаций, например, материаловедческий (по природе компонентов); конструктивный (по типу арматуры и ее ориентации в матрице). Можно выделить несколько больших групп композитов: с полимерной матрицей (пластики), с металлической матрицей (металлокомпозиты), с керамической матрицей и матрицей из углерода.

 В зависимости от природы армирующих волокон различают следующие композиты, например, на полимерной матрице: стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики и т.д. То же и на других матрицах.

 Различают композиты и от способов армирования: компактно-образованные из слоев, армированных параллельно-непрерывными волокнами, армированные тканями с хаотическим и пространственным армированием.

 В зависимости от вида армирования композиты могут быть разделены на две группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются структурой и механизмом образования высокой прочности.

 Дисперсно-упрочненные композитыпредставляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы, оптимальное их содержание 2-4%. Но эффект упрочнения связан с размерами частиц и их сближением, т.е. концентрацией. Например, при упрочнении мелкими частицами d =0,001-0,1 мкм объемная концентрация может доходить до 15%; при частицах более 1,0 мкм объемная концентрация может быть 25% и более. При этом повышается прочность, твердость, теплостойкость, сохраняется эластичность (например, матрица - битум, каучук, полимер; упрочняющие частицы - мел, слюда, углерод, кремнезем, известняк). В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица.

 В волокнистых композитахвысокопрочные волокна воспринимают основные напряжения при внешних нагрузках и обеспечивают жесткость и прочность композита. Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении волокон в пластичной матрице, объемная доля их может достигать 75% и более.

Армирующие волокна должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первым относятся требования по прочности, жесткости, плотности, стабильности свойств в определенном температурном интервале, химической стойкости и т.п.

 Теоретическая прочность материалов возрастает с увеличением модуля упругости и поверхностной энергии вещества и падает с увеличением расстояния между соседними атомными плоскостями.

 Таким образом, высокопрочные твердые тела должны иметь высокие модули упругости и поверхностную энергию и возможно большее число атомов в единице объема. Этим требованиям удовлетворяют бериллий, бор, углерод, азот, кислород, алюминий и кремний. Наиболее прочные материалы всегда содержат один из этих элементов, а зачастую состоят только из этих элементов.

 При создании волокнистых композитов применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки, а также волокна и нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и других соединений. Арматурные компоненты в композитах применяются в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов.

 К технологическим требованиям относятся такие, которые дают возможность создания высокопроизводительного процесса изготовления изделий на их основе. Важным требованием также является совместимость волокон с материалом матрицы, т.е. возможность достижения прочной связи волокно-матрица при сохранении исходных значений механических свойств компонентов.

 Зависимости между деформациями и напряжениями различны в изотропных и анизотропных материалах. В изотропном упругом теле главные оси напряжений и деформаций совпадают, в анизотропном - нет. Если упрочнитель представляет собой уложенную в определенном порядке систему волокон, то модули упругости композита в различных направлениях могут существенно различаться. В таких анизотропных телах каждая компонента (матрица и упрочнитель) деформированного состояния зависит от каждой из компонент напряженного состояния. Следовательно, в анизотропном теле главные оси напряженного и деформированного состоянии не совпадают.

 Композиты с однонаправленной укладкой волокна называются монотропными(рис.1). В монотропных композитах модули упругости и коэффициенты Пуассона имеют различные значения в направлении осей. Наиболее характерным видом анизотропии для композитов является ортотропия, обладающая симметрией относительно трех взаимно перпендикулярных плоскостей. Здесь, зависимости от монотропии, оси Хи Yнеравномерны.

Рис.1. Монотропный композит

 Матричные материалы.Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, распределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении частиц волокон. Материал матрицы определяет метод изготовления изделий, возможность выполнения конструкций заданных габаритов и формы, а также параметры технических процессов и т.д. Требования, предъявляемые к матрицам, можно разделить на эксплуатационные и технологические. К эксплуатационным относятся требования, связанные с механическими и физико-химическими свойствами материала матрицы, обеспечивающими работоспособность композиции при действии различных эксплуатационных факторов. Технологические требования определяются процессами получения композита, т.е. совмещения армирующих волокон с матрицей и окончательного формирования изделия.

 Целью технологических операций является обеспечение равномерного распределения волокон в матрице (без касания между собой) при заданном их объемном содержании; максимально возможное сохранение свойств волокон, главное - прочности; создание достаточно надежного взаимодействия на границе волокно-матрица.

 Границы раздела.В первую очередь адгезионное (склеивающее) взаимодействие волокна и матрицы определяют уровень свойств композитов и их работу при эксплуатации. Локальные напряжения в композите достигают максимальных значений вблизи или непосредственно на границе раздела, где обычно и начинается разрушение материала. Граница раздела должна обеспечивать эффективную передачу нагрузки от матрицы на волокна. Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием термических и усадочных напряжений, вследствие различия в температурном коэффициенте линейного расширения матрицы и волокна или в результате химической усадки связующего при его отвердении. Защита волокон от внешнего воздействия также в значительной степени определяется адгезионным взаимодействием по границе раздела.