k. jest materiałem zewnętrznie monolitycznym jednak z widocznymi granicami między komponentami. K. stosowane przez ludzi intuicyjnie od wieków, a od lat 60. XX w. oparte na coraz bardziej doskonalonych podstawach nauk., nie mają dotąd ogólnie przyjętej ścisłej definicji. Podana powyżej jest uogólnieniem najczęściej spotykanych definicji opisowych. Do k. zalicza się przeważnie materiały wytworzone przez człowieka, wykluczając tzw. k. naturalne (np. drewno, kości ssaków), przy czym jednym z argumentów jest brak możliwości sterowania strukturą, a więc i właściwościami tych materiałów; wyklucza się zwykle także materiały powlekane lub platerowane. Dodatkowym ograniczeniem klasyfikacyjnym są geom. wymiary komponentów: powinny być one przynajmniej w jednym kierunku dostatecznie małe w stosunku do wymiarów wyrobu, a jednocześnie na tyle duże, aby zniekształcenie sieci krystal. nie było decydującym czynnikiem kształtującym właściwości; wyklucza to m.in. materiały utwardzane wydzieleniowo. Materiały złożone były wykorzystywane od bardzo dawna; np. beton znano w czasach rzym.; na Bliskim Wschodzie już 800 lat p.n.e. stosowano wzmacnianie cegieł glinianych ciętą słomą; mong. łuki wykonywano, łącząc klejem drewno, ścięgna zwierzęce i włókna jedwabiu; w nowszych czasach pojawiły się węgliki spiekane, rury azbestowo-betonowe, polimery zbrojone włóknem (np. szklanym) i in.
Istotną cechą k. jest możliwość wpływania na kształt, rozmiary i geom. rozmieszczenie komponentów, dobieranych celowo z uwagi na ich właściwości. Problemem zasadniczym przy projektowaniu i wytwarzaniu k. jest otrzymywanie materiału o żądanych właściwościach z jednoczesnym eliminowaniem wad komponentów; dobór komponentów może opierać się na przewidywanym wykorzystaniu uzyskiwanych właściwości tzw. sumarycznych lub wynikowych. Właściwości sumaryczne (addytywne) uzyskuje się przez sumowanie właściwości komponentów, przyjmując ich udział we właściwościach k. proporcjonalny do udziału objętościowego lub powierzchniowego w danym przekroju; właściwości wynikowe (synergiczne) są rezultatem przeniesienia efektu Y wywołanego w komponencie α na komponent β, w którym wywoływany na skutek tego efekt Z jest następnie mierzony jako właściwość k. Komponent α reaguje (efekt Y) na oddziaływanie X, komponent β reaguje (efekt Z) na oddziaływanie Y, a nie reaguje na oddziaływanie X.
Współczesne k. można podzielić na 2 gł. grupy: k.
konstrukcyjne, w których o przydatności decydują wskaźniki właściwości wytrzymałościowych, oraz k. o
szczególnych właściwościach fizycznych, odznaczające się innymi niż wytrzymałościowe właściwościami użytkowymi. W k. konstrukcyjnych są wykorzystywane przede wszystkim właściwości sumaryczne, w k. o szczególnych właściwościach fiz. — właściwości wynikowe i/lub sumaryczne (a także inne możliwości kształtowania właściwości). K. konstrukcyjne można podzielić na 2 grupy: k., których wytwarzanie opiera się na prostym rachunku i doświadczeniu, oraz takie k., dla zaprojektowania i wytworzenia których wykorzystano skomplikowane metody obliczeń wytrzymałościowych i fizykochemiczne podejście przy ustalaniu parametrów technologicznych. Ta druga grupa k. konstrukcyjnych oraz k. o szczególnych właściwościach fiz. jest obecnie przedmiotem zainteresowania nauki i techniki ze względu na dobre wykorzystanie potencjalnych możliwości k. i szybko wzrastające zapotrzebowanie.
W k. o szczególnych właściwościach fiz. wykorzystuje się gł. różne reagowanie komponentów na oddziaływanie zewn. inne niż mech. (właściwości wynikowe). Klasyczna tabela J. van Suchtelena (1972) przedstawia właściwości wybranych 16 par komponentów, potencjalnie możliwych do wykorzystania; np. k., w którym wystąpi efekt magnetoelektr. można by uzyskać z komponentów o efektach: magnetostrykcyjnym i piezoelektr., a k., w którym będzie obserwowany efekt piezoluminescencyjny — z komponentów: piezoelektr. i elektroluminescencyjnego. Praktyczne wykorzystanie tej idei odnosi się do realizacji specyficznych funkcji i nie ma (poza płytkami polowymi) masowego zastosowania.
W najprostszym przypadku k. konstrukcyjny składa się z
osnowy i rozmieszczonego w niej drugiego komponentu, zw. ze względu na dużo lepsze wskaźniki wytrzymałościowe niż osnowa,
zbrojeniem lub
komponentem wzmacniającym. Głównym zadaniem osnowy jest przekazywanie naprężeń wywoływanych obciążeniem zewn. na zbrojenie, a także umożliwienie odpowiedniego rozmieszczenia zbrojenia. Osnowa plast. (np. metale, polimery) dodatkowo łagodzi skutki szybkiego przykładania obciążenia (tj. obciążenia dynamicznego). Niezmiernie ważne dla prawidłowej pracy k. jest dobre połączenie osnowy ze zbrojeniem; wymaga to w wielu przypadkach specjalnego przygotowania powierzchni zbrojenia (np. pokrycia specjalnymi warstewkami, trawienia) i odpowiednich warunków technol. łączenia. Strefa połączenia osnowa–zbrojenie może wykazywać obniżoną wytrzymałość. Podstawy tworzenia k. konstrukcyjnych z kruchą osnową (np. ceramiczną) są inne. Zbrojenie ma za zadanie hamowanie powiększania się (pod wpływem obciążenia zewn.) mikropęknięć, które występują w kruchej osnowie, zmianę kierunku ich powiększania się i/lub absorbowanie energii w wyniku niszczenia powiązania zbrojenia z osnową. Beton (k. budowlany) składa się z kruszywa i piasku, powiązanych kruchą osnową cementową lub polimerowo-cementową. Pory i mikropęknięcia są przyczyną niewielkiej wytrzymałości na rozciąganie; można ją poprawić przez wprowadzenie zbrojenia w postaci włókien, drutów lub prętów (np. stalowych — żelbet).
Komponenty wzmacniające mają zwykle postać cząstek o średnicy rzędu mikrometrów i udziale objętościowym przekraczającym nawet 25% lub włókien o średnicy od ułamka µm do kilkuset µm i udziale objętościowym od kilku do 70% (a nawet więcej). Umocnienie cząstkami jest tym większe, im mniejsza jest ich średnica. Umocnienie włóknem zależy od stopnia napełnienia i wytrzymałości włókna; można stosować włókno ciągłe i cięte (krótkie); w przypadku włókna ciętego długość jego odcinków musi przekraczać pewną wartość krytyczną. Prawidłowo wykonane k. umocnione cząstkami mają właściwości izotropowe (
izotropia), k. zbrojone włóknem ciągłym — anizotropowe (
anizotropia), a k. zbrojone włóknem ciętym — właściwości pośrednie między izo- i anizotropowymi, w zależności od warunków wytwarzania.
Nowoczesne k. są zbrojone włóknami szklanymi, węglowymi, org. lub włóknami boru, rzadziej są stosowane włókna ceramiczne (drogie) lub metal. (niekorzystny stosunek wskaźników wytrzymałościowych do gęstości). Włókna te są wykonywane wg specjalnych technologii i poddawane przygotowaniu powierzchni. Średnica włókna elementarnego zawiera się w granicach od ok. 10 µm (włókna szklane, węglowe) do stukilkudziesięciu µm (włókna boru); wytrzymałość włókien osiąga wartość 2200–3500 MPa, moduł Younga — 70 000–420 000 MPa. Do celów techn. stosuje się pasma włókien elementarnych (np.
rowing) lub tkaniny, maty i podobne wyroby.
Rodzaj osnowy k. (tworzywa polimerowe, metal., ceramiczne, półprzewodnikowe) zależy od warunków jego pracy, a od warunków pracy i rodzaju osnowy zależy wybór odpowiedniego zbrojenia. Szczególną grupę k. stanowią k. in situ, tj. takie, które otrzymuje się w wyniku ukierunkowanej krystalizacji stopów eutektycznych. Przykładem k. in situ są tzw. płytki polowe (ze stopu eutektycznego z układu InSb-NiSb), które wykazują niezwykle dużą zmianę oporu elektr. pod wpływem niewielkiej zmiany zewn. pola magnet. (przykład k. o szczególnych właściwościach fiz.). K. proste, mało wytężone, znalazły zastosowanie we wszystkich dziedzinach techniki, przy czym największy udział mają k. ceramika (budownictwo, np. beton, żelbet) i k. o osnowie polimerowej zbrojone włóknem szklanym lub węglowym (środki transportu, części maszyn, urządzenia oraz wyroby do pracy w agresywnych chemicznie środowiskach, także sprzęt sport.). Coraz większe znaczenie mają k. bardzo silnie wytężone, projektowane i wytwarzane na podstawie najnowszych osiągnięć nauki; znajdują one zastosowanie w technice lotn. i astronautycznej, środkach transportu, budowie okrętów, uzbrojeniu, a więc tam, gdzie zmniejszenie masy konstrukcji jest jednym z gł. zadań postępu techn. (m.in. zmniejszenie zużycia paliwa, zwiększenie zdolności transport.). Nowoczesne metody wytwarzania elementów ułatwiają, a także potaniają stosowanie k. polimerowych, zastępujących np. stal w nadwoziach samochodowych.
Stefan Wojciechowski
