Заказать звонок

CAPTCHA
Отметьте галочку, чтобы мы убедились, что Вы не бот.

Вы здесь

Композитные материалы

23-12-2019 опубликовал admin

Композиционные материалы (КМ) характеризуются следующим набором свойств:

  1. от двух компонентов в составе, обладающих специфическим химическим составом и имеющими свою границу.
  2. материалы, образующие эти компоненты, образуют производные свойства материала отличные от свойств исходных компонентов.
  3. в большом масштабе являются однородными, в маленьком масштабе являются неоднородными.
  4. свойство материала являются производными свойств исходных компонентов, содержащихся в материале в нужном количестве (больше определённого порогового значения).

 

Матрицей КМ принято называть непрерывный во всем объеме композитный материал. Армирующий элемент(наполнитель) - это разъединенный в объеме композиции элемент. Большая часть КМ определяется детерминированным набором свойств и характеристик.

Большинство материалов имеют установленный набор свойств. К примеру, жёсткость и хрупкость являются отличительной чертой бетона, при этом обладая высоким уровнем сжатия и отсутствием свойства растяжения. По этой причине при монтаже фундаментов и других опор зачастую применяют именно бетонные устройства. С другой стороны, если взять металлы, то они показывают высокую эффективность при работе на растяжение, при этом металлы очень прочные и пластичные. Железобетон это материал, который состоит из бетона и металла, объединяя в себе с одной стороны свойства, позволяющие работать на растяжение, с другой стороны свойство жёсткости, поэтому такие сооружения как балки, мосты и различные перекрытия изготавливают из железобетона. Материалы, объединяющие в себе свойства, характерные для различных материалов, как правило именуются композитными или композиционными.

Композиционные материалы используются человечеством на протяжении нескольких столетий. В качестве примера можно привести использование кирпича из глины при строительстве домов, при создании которого смешивали древесные ветки и солому для повышения прочности кирпичей. Булатная сталь ещё один пример древнего уникального композиционного материала.

КМ дифференцируют по следующим основным характеристикам: методам получения, типу матрицы, особенностям кристаллической решётки и макростроению, виду армирующего элемента.

Матрица композиционного материала обеспечивает безопасность армирующих элементов, состоящих из него изделий от внешних воздействий, обеспечивает целостность, строение и форму, равномерно перераспределяет нагрузку по объему материала. Тип матрицы задаёт эксплуатационные свойства(рабочую температуру, плотность, удельную прочность и сопротивление воздействию внешних сред и разрушений) и задаёт технологические характеристики добычи композита.

По видам материала матрицы композитных материалов разделяют на:

  1. Полимерные. Примерами являются различные смеси, термопласты и реактопласты.
  2. Металлические. Как правило это различные сплавы из макронеоднородных фаз, а также также материалы порошковой металлургической индустрии.
  3. Неорганические. Самые распространённые это керамические полимеры, углеродные и минеральные полимеры.
  4. Комбинированные(полиматричные).

 

Важным моментом является равномерное распределение упрочняющих(армирующих) элементов по всей матрице. Характерными свойствами таких элементов обычно это большой модуль упругости, твёрдость, высокая прочность, и по данным характеристикам элементы сильно превосходят аналогичные показатели матрицы. Для усиления теплофизических, электрических свойств, увеличения плотности, пластичности, прочности и жёсткости, модификации характеристик в отдельных местах и областях изделия в композитные материалы добавляют армирующие элементы.

Сам упрочняющий компонент при этом называют «наполнителем». Как правило, наполнителями являются элементы с не более чем 1,5-2 кратным превышением уровня прочности матрицы. Упрочняющие(армирующие) элементы в случае соответствующей концентрации в композиции обеспечивают уровень прочности материала в 2-10 и более по сравнению с уровнем прочности матрицы. В КМ как правило содержатся и усиливающие вещества и наполнители.

По геометрической форме наполнителя композитные материалы делятся на 3 вида:

  1. Дисперсные наполнители нулевой меры в порошкообразном виде, у которых одинаковый порядок в трех измерениях.
  2. Наполнители композитных материалов, в которых один размер имеет превосходство над 2-мя другими. Это так называемые одномерные наполнители(армирующие и волокнистые вещества).
  3. Двухмерные наполнители, размеры превосходят третий. Примеры элементов:
    • Сеточные.
    • Тканевые.
    • Ленточные.

 

Наполнители для композиционных материалов

Создание прочного композиционного полимеросодержащего материала,то есть материала с усиленной совокупностью физико-химических свойств, это главное при получении композиционного материала, предназначенного для сооружения конструкций, путём введения порошка аэросила, тонкодисперных наполнителей, армирующих наполнителей.

При этом нужно отметить, что зачастую получение электрофизических свойств является более приоритетным над механическими, при создании специализированных композитных материалов.

Одним из первых примеров проводящих полимерных КМ являются материалы, содержащие графит и углеродные совокупности, состоящие из термоактивных и фенолформальдегидных смол, применявшихся для создания различных элементов электрических цепей(пр. резисторов). Далее увидели свет эластомеры, использующие натуральный и синтетический каучук. Заполнены данные эластомеры были техническим углеродом. В наши дни различные наполнители как дисперсные, так и волокнистые используются для добавления композиционным материалам электрофизических свойств.

Дисперсные наполнители

Одним из самых часто встречающихся в природе видов наполнителей полимерных композитных материалов являются различные вещества неорганического и органического происхождения. Уменьшение стоимости композиций – это одной из главных целей использования дисперсных наполнителей. Как правило это вещества в виде порошка, размер частиц которых в диапазоне от 2-10 до 200-300 мкм. Средний размер частицы как правило находится в пределах 40 мкм, но в наши дни для производства нанокомпозитов всё чаще применяются частицы в пределах 1мкм. Диапазон концентрации дисперсных наполнителей в полимерных композитных материалах от нескольких процентов до 70-80%. В результате такие ПКМ обладают ярко выраженным свойство изоптропности, но в случаях значительной ориентации в процессах переработки в следствии асимметрических форм частиц может придать свойства анизотропии(как правило для волокнистых наполнителей).

Одним из самых ценных свойств дисперсного наполнителя является его качество хорошего совмещения с полимером и смешивания с ним. При низкой влажности (а порой требуется и сушка), хорошая смачиваемость расплавом или растровом полимера, в результате чего при однородности размера частиц, а также при отсутствии крепких связях в частицах.

Для наполнителя также важным показателем является тип связующего. Для лучшего сцепления с матрицей предпочтительно наличие не гладкой, а шероховатой поверхности сцепления матрицы(в случаях заполнения термопластов), тогда как каталитическое воздействие на перевод связующего в твёрдое состояние происходит при заполнении реактопластов наполнителей.

Порошкообразные наполнители во многих случаях подвергаются воздействию поверхностно-активных веществ для уменьшения предрасположенности частиц к агломерации, увеличения адгезии, усиления свойства смачивания наполнителя полимером. Специально созданные реакционно-способные функциональные группы, которые также могут содержаться в наполнителях усиливают адгезию на поверхности раздела «наполнитель-полимер».