Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

ПОНЯТИЕ О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

Читайте также:
  1. I. Понятие и типы политических партий.
  2. I. Понятие политического лидерства.
  3. I. Понятие политической власти.
  4. I. Понятие, происхождение и признаки государства.
  5. II. Понятие и виды элиты.
  6. IX. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ, СУЖДЕНИЕ, ПОНЯТИЕ
  7. Акты применения норм права: понятие, особенности, виды

Общие сведения.Впервые понятие композитного материала появилось в авио-, ракето- и машиностроении при создании технологий получения высокопрочных материалов. К композитам можно отнести многие строительные материалы: бетон, железобетон, фибробетон, асбестоцемент, древесностружечные и древесноволокнистые плиты.

Композиционные материалы представляют собой многофакторные гетерофазные системы, состоящие из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого из них. Они имеют нерегулярную структуру, поэтому их структурные параметры можно оценивать лишь статистическими характеристиками и в соответствии с принятыми правилами проектирования композиционные материалы всегда рассчитывают с некоторым запасом прочности.

Компонент, обладающий непрерывностью по объему, называют матрицей. Матричными материалами могут быть металлы, их сплавы, керамика, неорганические и органические полимеры. Другой компонент прерывный, разделенный в объеме композиции, считается упрочняющим или армирующим. Для этой цели используют тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.

Механические и другие свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-волокно. Соотношение этих параметров характеризуют весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения. Работоспособность композита обеспечивается, не только правильным выбором исходных компонентов, но и рациональной технологией производства, обеспечивающей сохранение их первоначальных свойств.

Многообразие волокон и матричных материалов, а также схема армирования позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и др.

Теория оптимальных структур, разработанная на примере конгломератов, опирается на ряд объективных, экспериментально подтвержденных закономерностей, важнейшими из которых являются закон прочности, правило створа и закон конгруэнции. Закон прочности утверждает, что произведение прочности R на фазовое отношение С/Ф в степени n есть величина постоянная: , (где С/Ф - отношение массы вяжущей части к массе твердой фазы).

Оптимальной структуре соответствует комплекс наиболее благоприятных строительных и эксплуатационных свойств конгломерата. Эта общая закономерность называется правилом створа. Местоположение створа определяется методом проектирования оптимального состава по заданным или расчетным показателям качества материала в пространственной системе координат с отложением на оси абсцисс фазового отношения, на оси ординат - одного или нескольких значений свойств, на оси аппликат-содержания вяжущего или пучок или семейство огибающих кривых, взаимосвязанных общими закономерно расположенными точками качественного показателя материала, например, прочности. Следовательно, между свойствами разных конгломератов, изготовленных на основе одного вяжущего вещества, существует функциональная зависимость. Она называется законом обязательного соответствия свойств или законом конгруэнции. Закон выражается в виде математических зависимостей, действие которых распространяется на все композитные материалы оптимальной технологии композиционных материалов. Из теоретических представлений прямо следует необходимость раздельной технологии приготовления смесей. По раздельной технологии отдельно готовят наполненное связующее, смесь заполнителей c армирующими элементами. Затем совмещают их, используя разные режимы на этих технологических этапах.



Классификация композитных материалов:

1. Материаловедческая (по природе компонентов). а) Различают композиты с полимерной матрицей (пластики), с металлической (металлокомпозиты), керамической матрице и матрицей из углерода. б) В зависимости от природы армирующих волокон различают следующие композиты, например, на полимерной матрице: стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики и т.д. Также и на других матрицах.

Загрузка...

2. По способу армирования бывают композиты компактно образованные из слоев, армированные параллельно-непрерывными волокнами, армированные тканями, с хаотическим и искусственным армированием.

3. В зависимости от вида армирования композиты могут быть разделены на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, различающиеся своей структурой и механизмом образования высокой прочности.

Дисперсно-упрочняющие композитыпредставляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы, оптимальное содержание которых 2-4 %. Эффект упрочнения данных материалов связан с размерами частиц и их сближением, т.е. концентрацией. При упрочнении мелкими частицами d = 0,001-0,1 мкм объемная концентрация может доходить до 15 %, а при частицах более 1,0 мкм – 6…25 % и более. При этом повышается прочность, твердость, теплостойкость, и сохраняется эластичность. Нагрузка, действующая на материал, воспринимается матрицей.

В качестве матрицы используют битум, каучук, искусственный полимер, а упрочняющих частиц – мел, слюда, углерод, кремнезем, известняк.

В композитах частицы начинают оказывать упрочняющее действие тогда, когда они ограничивают деформацию матрицы посредством механического стеснения.

В волокнистых композитахосновные напряжения при внешних нагрузках воспринимают высокопрочные волокна, которые также обеспечивают жесткость и прочность композита. Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении волокон в пластичной матрице. Их объемная доля может достигать 75 % и более.

Армирующие волокна должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первым относятся требования по прочности, жесткости, плотности, стабильности свойств в определенном температурном интервале, химической стойкости и т.п. К технологическим требованиям относятся такие, которые дают возможность создания высокопроизводительного процесса изготовления изделий на их основе. Важна совместимость волокон с материалом матрицы, т.е. возможность достижения прочной связи волокно-матрица при сохранении исходных значений механических свойств компонентов.

При создании волокнистых композитов применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки, а также волокна, нитевидные кристаллы ряда карбидов, оксидов, нитридов и других соединений. Арматурные компоненты в композитах применяются в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов.

При нагружении волокнистых материалов в работу включаются два компонента - волокна и матрица, что дает высокую прочность на растяжение и изгиб.

Матричные материалы.Матрица обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, распределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении частиц волокон. Материал матрицы определяет метод изготовления изделий, возможность выполнения конструкций заданных габаритов и формы, а также параметры технических процессов и т.д. Требования, предъявляемые к матрицам, можно разделить на эксплуатационные и технологические. К эксплуатационным относятся требования, связанные с механическими и физико-химическими свойствами материала матрицы, обеспечивающими работоспособность композиции при действии различных эксплуатационных факторов. Технологические требования определяются процессами получения композита, т.е. совмещения армирующих волокон с матрицей и окончательного формирования изделия.

Целью технологических операций является обеспечение равномерного распределения волокон в матрице (без касания меж собой) при заданном их объемном содержании; максимально возможного сохранение свойств волокон, главное - прочности; создание достаточно надежного взаимодействия на границе волокно-матрица.

5. По структурным признакам композиционные материалы можно разделить на семь видов: с импрегнированной, конгломератной, слоисто-листовой, пленочной, ячеистой, волокнистой и конгломератно-ячеистой структурой. Эта классификация, как и современные представления, о наполнении, формировании микро- и макроструктуры, взаимодействии компонентов определяют новый подход.

В первую группу попадают материалы со сложившейся структурой, имеющие пористость природного, искусственного или технологически-дефектного происхождения. Улучшение структуры этих материалов достигается путем пропитки порового пространства жидкими веществами - импрегнантами: органическими и минеральными растворами и расплавами, синтетическими мономерами и олигомерами, вступающими в физико-химическое взаимодействие с веществами пропитываемого материала.

Вторую группу представляют конгломератные структуры, образованные перемешиванием заполнителей зернистой формы со связующим с последующим затвердеванием полученной смеси. С позиций полиструктурной теории конгломератные структуры дают наиболее полное представление о многоуровневых системах. Если связующее содержит микрочастицы наполнителей, то их смесь представляет собой систему первого уровня, а смесь заполнителей с наполненным связующим – систему второго уровня. Систему первого уровня могут образовать смеси не только разнородных материалов, например, органического полимера и минерального наполнителя, но и смеси частиц одного и того же материала (например, глины) при условии разницы размеров частиц и коллоидных образований вокруг них не менее полутора-двух порядков. Такие образования - конгломераты встречаются в природных условиях.

Своеобразную группу представляют слоисто-листовые и пленочные структуры. Их отличительными признаками являются: листовая форма заполнителя, образующего вкупе с наполненным связующим систему второго уровня, либо листовая (пленочная) форма матрицы, в которой распределены элементы первого уровня (дисперсный наполнитель, микросетки, микроарматура и др.).

Ячеистые структуры содержат в качестве заполнителя пузырьки газа или воздуха, а матрицей служит вспененный полимер. Представителями таких структур служат пенопласты.

Наполнителями волокнистых структур служат минеральные или органические волокна, скрепляемые полимером.

Конгломератно-ячеистые структуры сочетают в себе признаки названных выше структур: ячеистый заполнитель, например, предвспененный пенополистирол и непрерывную матрицу -связующее с частицами первого и второго уровня, например, золоцементную смесь, известково-песчаный или цементно-песчаный раствор.

Строительные материалы можно также классифицировать по областям применения и по фазовому (агрегатному) состоянию.

Границы раздела.Впервую очередь адгезионное (склеивающее) взаимодействие волокна и матрицы определяют уровень свойств композитов и их работу при эксплуатации. В отсутствие такого взаимодействия компоненты материала образуют механическую смесь и проявляют индивидуальные свойства независимо друг от друга.

Приведенное уравнение выражает обобщенно прочность композита как производное сил адгезии. Оно показывает, что снижение поверхностного натяжения W и связанного с ним краевого угла смачивания f путем введения различных модификаторов или технологическими приемами однозначно приводит к увеличению общей работы А, затрачиваемой на разрушение.

Локальные напряжения в компоненте достигают максимальных значений вблизи или непосредственно на границе раздела, где обычно начинается разрушение материала. Граница раздела должна обеспечивать эффективную передачу нагрузки от матрицы на волокна. Кроме того, адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться действием термических и усадочных напряжений, вследствие различия в температурном коэффициенте линейного расширения матрицы и волокна или в результате химической усадки cвязующего при его отвердении. Защита волокон от внешнего действия также в значительной степени определяется адгезионным взаимодействием по границе раздела.


Дата добавления: 2015-07-08; просмотров: 292 | Нарушение авторских прав


<== предыдущая страница | следующая страница ==>
vk.com/in.difference in-difference.ru| СВЯЗЬ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

mybiblioteka.su - 2015-2021 год. (0.008 сек.)