Требования к волокнам. Нитевидные форма армирующих элементов имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Преимущество их состоит в высокой прочности и возможности создать укрепления только в том направлении, в
котором это нужно конструктивно, что обеспечивает максимальное использование свойств волокон. Недостаток такой формы заключается в том, что волокна способны передавать нагрузку только в направлении своей оси, тогда как в перпендикулярном направлении укрепления нет, а в некоторых случаях может оказаться даже знемицнювання.
Волокна, которые используют в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства: высокую температуру плавления, малую плотность, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, технологичность, минимальную растворимость в матрице, высокой химической стойкостью, отсутствие фазовых превращений в зоне рабочих температур, отсутствие токсичности при изготовлении и в эксплуатации.
Для армирования в основном применяют три вида волокон: нитевидные кристаллы, металлическая проволока и неорганические поликристаллические волокна.
Нитевидные кристаллы ("усы") рассматривают как перспективный материал для армирования металлов, полимеров и керамики. Сверхвысокая прочность в широком диапазоне температур при малой плотности, химическая инертность по отношению к многие из которых матричных материалов, высокая жаростойкость и коррозионная стойкость нитевидных кристаллов оксидов алюминия и магния, карбида кремния, муллита и других делает их незаменимыми армирующими элементами. К сожалению, пока на пути их практического применения есть много трудностей. Предстоит решить проблемы получения их в промышленном масштабе, отбора годных усов, ориентации их в матрице, методов формирования композиций с усами и др..
Высокопрочный металлический провод из стали, вольфрама, молибдена и других металлов менее перспективный, чем усы, через большую плотность и меньшую прочность, однако, поскольку выпускается он промышленностью в больших количествах и имеет сравнительно невысокую стоимость, его широко используют в качестве арматуры, особенно для КС на металлической основе.
Поликристаллические неорганические волокна (Polycrystalline inorganic fibers), как и металлическая проволока, получают в больших количествах. Недостаток этих волокон - очень высокая чувствительность к механическим повреждениям. Однако малая плотность, высокая прочность и химическая стойкость углеродистых, борных, стеклянных, карбидокремниевих, кварцевых, кварцоидних, циркониевых, алюмосиликатного и других волокон позволяют широко использовать их для армирования пластмасс и металлов.
Если КМ конструируют для конкретного изделия, при изготовлении которого нужно будет сгибать волокна под радиусом R, то максимально допустимый диаметр волокна dmax рассчитывают по формуле, учитывающей прочность sв, и модуль нормальной упругости волокон Ев (см. далее):
Если диаметр волокон будет больше максимально допустимого, они при изгибе разрушаться.
Требования к матрице. Матрица в армированных композициях придает изделию форму и делает материал монолитным. Объединяя в единое целое многочисленные волокна, матрица должна позволять композиции воспринимать разного рода внешние нагрузки - растяжения, сжатия, изгиб, сдвиг и др.. В то же время она участвует в создании несущей способности композиции, обеспечивая передачу усилий на волокна. За счет пластичности матрицы усилия от разрушенных или дискретных (коротких) волокон передаются соседним волокнам, а концентрация напряжений вблизи различного рода дефектов уменьшается. Матрицы отводится и роль защитного покрытия, предохраняющие волокна от механических повреждений и окисления.
Кроме того, матрица должна обеспечивать прочность и жесткость системы при воздействии растягивающего или сжимающей нагрузки в направлении, перпендикулярном к армирующих элементов. Если растягивающее нагрузки направлены по оси параллельных между собой волокон, то для получения эффекта упрочнения предельное относительное удлинение матрицы как минимум должно быть равным относительному удлинению волокон. Если же нагрузка перпендикулярное оси волокон, то этого оказывается недостаточно. В этом случае нагрузка на волокна передается только через матрицу, и чем больше концентрация волокон и отношение модулей упругости материалов волокна и матрицы, тем больше должна быть предельная деформация матрицы. Оценочные расчеты, выполненные на упругих моделях, показывают, что для обеспечения монолитности КМ при поперечном нагрузке нужны матрицы, относительное удлинение которых в несколько раз превышает среднюю деформацию волокон.
Стремление получить максимальную прочность композиции вызывает тенденцию повышения объемной доли Vв волокон. Однако если относительное удлинение матрицы мало, то в случае больших значений V в монолитность КМ может нарушиться даже при небольших нагрузках. Появятся расслоение, трещины. Предотвратить эти негативные явления при растяжении ортотропной материала заданного состава можно при условии, что толщина d прослойки матрицы между волокнами, диаметр d в их и относительные удлинения при разрыве волокон Eв и матрицы EМ связаны соотношением