Глава 9. Композиционные материалы.
Композит одновременно обладает свойствами единого нового материала и является носителем свойств образующих его материалов.
Цели и задачи.
Цель. Композиционные материалы – новый вид материалов, области и объемы, использования которых постоянно увеличиваются. Необходимо понять, как устроены композиты, почему в материалах достигается новый комплекс свойств, каковы виды композиционных материалов и области их применения.
Задачи:
- понять, как устроены композиционные материалы, каковы их признаки, в чём состоят физико-химические основы создания композитов;
- сформировать представления по принципам классификации композиционных материалов, видам сырья, используемым для создания композитов;
- сформировать знания по видам композиционных материалов, их составу, структуре, основным свойствам, областям применения;
- уяснить, как изготавливаются композиционные материалы.
Строение и признаки композиционных материалов.
Композиционными называются материалы, состоящие из непрерывной среды – матрицы, в которой находятся один или несколько конструкционных компонентов.
Непрерывная среда в объеме композиционного материала, называется матрицей и исполняет роль связующей основы. Другие конструкционные составляющие композита (арматура, наполнители, волокна) распределены в матрице (рис. 9.1). На границе матрицы и находящихся в ней конструкционных компонентов располагаются тонкие переходные слои, соответствующие зоне раздела фаз.
|
|
|
Рис. 9.1. Схема композиционного материала: 1 – матрица; 2 – армирующие элементы; 3 – зона раздела фаз.
Принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555 – 1560 годах при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Прообразом композиционного материала являются широко известный железобетон , представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в. прокаткой слоистые материалы. Железобетон изобретён французом, пытавшимся создать из бетона емкости для растений.
Композиционные материалы обладают комплексом свойств, отличающих их от традиционных конструкционных материалов, что предопределило успешное применение композитов для совершенствования современных конструкций и изделий и разработки принципиально новых. В композиционном материале в единый монолит объединены два или несколько конструкционных компонентов изготовленных из различных материалов. Композит одновременно обладает свойствами единого нового материала и является носителем свойств материалов образующих его индивидуальных конструкционных компонентов.
|
|
|
Для композиционных материалов характерна следующая совокупность признаков:
- состав, форма и распределение конструкционных компонентов материала определено заранее;
- в матрице может находиться один, два или несколько конструкционных компонентов различного химического состава, разделенных между собой и матрицей границами раздела фаз;
- свойства композиционного материала определяются сочетанием свойств его конструкционных составляющих;
- композиционный материал обладает свойствами, отличными от свойств конструкционных элементов, взятых в отдельности;
- материал однороден в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе;
- материал не встречается в природе и является созданием человека.
Конструкционные составляющие композиционного материала различны по функциям и геометрическому расположению в композите. Матрица является основой композита и непрерывна по всему объёму материала. Матрица придает изделию заданную форму и монолитность, обеспечивает передачу и перераспределение нагрузки по объему материала, защищает армирующие элементы от внешних воздействий. Тип матрицы определяет основные свойства композиционного материала: термическую и коррозионную стойкость, электрические и теплозащитные свойства, технологию изготовления, устойчивость во времени и другие характеристики.
|
|
|
В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиционного материала, его эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление разрушению и воздействию агрессивных сред, другие характеристики.
Внутри матрицы одновременно или по раздельности располагают упрочняющие и армирующие элементы, которые придают композиту необходимые свойства, выполняют упрочняющие функции. Упрочняющими являются преимущественно дисперсные и коротковолокнистые вещества. Их введение способствуют 1,5 - 2-кратному повышению прочности композита по сравнению с прочностью матрицы. Армирующие элементы представляют собой высокопрочные волокна, нитевидные кристаллы, ткани, сетки, которые позволяют увеличить прочность материала в 2-10 и большее число раз. Армирующие элементы и наполнители изменяют также такие свойства композита как жесткость, пластичность, плотность, электрические, теплофизические и других характеристики. Изменения могут касаться всего материала или отдельных мест конструкций и изделий из композита.
|
|
|
Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и по этим показателям значительно превосходят свойства матрицы. Более широким понятием, чем армирующий или упрочняющий компонент, является термин “наполнитель”, поскольку наполнитель в матрице помимо изменения прочности оказывает влияние и на другие характеристики композиции.
Классификация.
Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе конструкционных компонентов.
По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяют на три группы:
- с нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
• с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит два других;
• с двухмерными наполнителями, размеры которых значительно превосходят третий.
По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:
• с одноосным (линейным) расположением наполнителя ввиде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;
• с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя в виде волокон, матов из нитевидных кристаллов, сетки, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
• с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его распределении.
По природе конструкционных компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:
• композиционные материалы, содержащие конструкционный компонент из металлов или сплавов;
• композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и других соединений;
• композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и других соединений;
• композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).
Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств конструкционных компонентов, но и прочности связи между ними. Обычно компоненты для композиционного материала выбирают со свойствами, существенно отличающимися друг от друга.
Композиты могут содержать армирующие и наполняющие компоненты различных размерностей. Все размеры нульмерных наполнителей намного меньше характерного размера образца композиционного материала; у одномерных наполнителей (армирующих элементов) один из их размеров соизмерим с характерным размером; по меньшей мере, два размера двухмерного армирующего элемента соизмеримы с характерными размерами образца композита. К нульмерным наполнителям относят дисперсные (преимущественно порошковые) наполнители (сажа, песок, мелкодисперсные металлы, фосфаты, стеклянные и кремнеземные микросферы и т. д.); к одномерным волокнистые наполнители и армирующие элементы: природные коротковолокнистые (асбест), растительные (сизаль, джут), высокомодульные нитевидные кристаллы (оксид и нитрид алюминия, оксид бериллия, карбид бора, нитрид кремния), длинномерные стеклянные, углеродные, базальтовые, борные керамические, металлические, низко- и высокомодульные органические волокна. К двухмерным относят ленточные, тканевые (состоящие из любых видов волокон и их сочетаний), сеточные и другие армирующие элементы.
Вклад наполнителей (арматуры) в комплекс свойств композитов бывает настолько существенным, что последние нередко называют по виду наполнителя: графитопласты, стекловолокниты, органе-, угле- и боропластики и т. д.
По макростроению композиционные материалы различают в соответствии с геометрическими параметрами относительно расположения компонентов. В матрице армирующие элементы могут быть расположены хаотически, но чаще их стараются разместить в определенном порядке. Возможности количественного сочетания и объемного расположения нульмерных, одномерных и двухмерных армирующих элементов весьма широки.
Композиционные материалы, имеющие одинаковые свойства во всех направлениях, называют изотропными. К ним относят хаотически наполненные порошками, короткими волокнами и чешуйками композиты. Материалы, свойства которых неодинаковы по различным направлениям, называют анизотропными. Это композиты с армирующими элементами в виде непрерывных волокон, пластин, тканей, сеток. Иногда в микрообъемах (в зоне армирующих элементов) наблюдается анизотропия свойств композита, а в целом их изотропия. Такие материалы называют квазиизотропными.
При моделировании технологии изготовления и выборе схемы прочностного расчета высокопрочные композиционные материалы делят на три группы: с одноосным, двухосным (плоскостным) и трехосным (объемным) армированием (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Схемы армирования композиционного материала одномерными (волокнистыми) элементами: о—одноосное; б—двухосное; в—трехслойное.
Все чаще находят применение комбинированные композиционные материалы: полиармированные (содержащие два и более различных по составу и природе армирующих элемента), полиматричные (имеющие две или более матрицы) и т. д.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 862; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!