Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли ши- рокое применение в промышленности. В качестве неметаллических мат-

риц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная, полиамидная. Угольные матрицы коксованные или получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу (раз- ложение, распад). Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, орга- нические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высо- кой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонен- тов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи меж- ду ними.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60–80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевид- ными кристаллами) – 20–30 об. %. Чем выше прочность и модуль упруго- сти волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материа- ла. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, боро- волокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связую- щим компонентом, укладываются параллельно друг другу в плоскости ук- ладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать на- правление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изо- тропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волок- на под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и кру- тильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей (рис. 17.7). Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, ра- диальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопро- тивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырех направленных материалов сложнее, чем трех направленных.

Наиболее эффективными с точки зрения использования в самых жест-

ких условиях сухого трения являются антифрикционные материалы на ос- нове политетрафторэтилена (ПТФЭ).

Рис. 17.7. Схема армирования композиционных материалов: 1 – прямоугольная, 2 – гексагональная, 3 – косоугольная,

4 – с искривленными волокнами, 5 – система из n нитей

Для ПТФЭ характерен достаточно высокий статический коэффици- ент трения, однако в процессе трения скольжения на поверхности ПТФЭ образуется очень тонкий слой высокоориентированного полимера, спо- собствующий выравниванию статического и динамического коэффици- ентов трения и плавному движению при скольжении. При изменении на- правления скольжения наличие ориентированной поверхностной пленки вызывает временное увеличение коэффициента трения, значение которо- го снова уменьшается по мере переориентации поверхностного слоя. Та- кое поведение ПТФЭ при трении обусловило его широкое применение в промышленности, где главным образом используют ненаполненный ПТФЭ для производства подшипников. Во многих случаях несмазывае- мые подшипники должны работать при более высоких скоростях трения. При этом для не наполненного ПТФЭ характерны высокие значения ко- эффициента трения и скорости износа. В качестве материалов для несма- зываемых подшипников, работающих в таких условиях, широкое приме- нение нашли композиционные материалы, чаще всего на основе ПТФЭ.

Наиболее простым путем уменьшения относительно высокой скоро- сти износа ПТФЭ при сухом трении является введение порошкообразных наполнителей. При этом повышается сопротивление ползучести при сжатии и наблюдается значительное увеличение износостойкости при сухом трении. Введение оптимального количества наполнителя позволя- ет повысить сопротивление износу до 10⁴ раз.

Полимеры и композиционные материалы на их основе обладают уни- кальным комплексом физико-механических свойств, благодаря которым они успешно конкурируют с традиционными конструкционными сталями и сплавами, а в ряде случаев без применения полимерных материалов не- возможно обеспечить требуемые функциональные характеристики и рабо- тоспособность специальных изделий и машин. Высокая технологичность и малая энергоемкость технологий переработки пластмасс в изделия в соче- тании с вышеназванными достоинствами ПКМ делают их весьма перспек- тивными материалами для деталей машин различного назначения.