XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Композиционные материалы—материалы, состоящие из двух и более компонентов с четкой разницей между ними. Компоненты существенно отличаются по свойствам, а их сочетание должно давать некий синергический эффект, который трудно предусмотреть заранее.

Обычно, в составе композиционных материалов, различают несколько компонентов. Первый образует непрерывную фазу, называемую матрицей или дисперсионной  средой,  или связующим. Другой—дисперсную фазу, называемую наполнителем. Монолитность полученного материала обеспечивается за счет адгезионного взаимодействия, образованного между ними. [1]

Непрерывная фаза

Непрерывная фаза, или матрица, ответственна за сохранение конфигурации изделия, эксплуатационных нагрузок на арматуру, сопротивление другим внешним факторам.

Матрица должна соответствовать следующим требованиям: быть прочной, жесткой, теплостойкой, пластичной, перерабатываемой

Выделяют следующие типы матриц:

металлические (алюминий и сплавы, магниевые сплавы, титан и его сплавы, медь, сплавы никеля и кобальта);

полимерные (термопласты: полиэтилен, полипропилен, политетрафторэтилен, поливинилхлорид, и др; реактопласты: фенолоальдегидные смолы, аминосмолы, ненасыщенные полиэфирные смолы, эпоксидные, полиуретановые смолы; эластомеры: изопреновые каучуки и др;

керамические (обычная керамика: силикаты; техническая керамика: оксиды Al2O3, карбиды SiC, нитриды Si3N4, бориды TiB2, сульфиды BeS; керметы: соединения, содержащие керамическую (Al2O3) и металлическую составляющие (Cr, Ni, Co, Fe)).

Металлические матрицы

Достоинства алюминия и деформируемых литейных сплавов на его основе: малая плотность, высокий уровень механических свойств, высокая технологическая пластичность. Литейные алюминиевые сплавы содержат Mg, Si, Mn, Cu в незначительных количествах и отличаются повышенной жидкотекучестью, малой линейной усадкой, пониженной склонностью к образованию трещин при повышенных температурах.

Магниевые сплавы обладаютвысокой удельной прочностью и малой плотностью. Магний практически не реагирует со многими материалами, используемыми для получения упрочняющих волокон.

Композиционные материалы на основе никеля имеют низкую жаростойкость. Для устранения этого недостатка применяют жаропрочные деформируемые и литейные сплавы Ni – Cr.

Использование титана и его сплавов в самолетостроении и в космической технике обусловлено его высокой удельной прочностью. Армируя титан и его сплавы высокомодульными волокнами, можно обеспечить высокую жесткость композиционных материалов.

Полимерные матрицы

Полимеры в качестве матрицы используют либо в чистом виде (порошки, гранулы, листы, пленки), либо в виде связующих. Связующее представляет собой двух- или многокомпонентную систему из синтетического полимера и отвердителей, инициаторов или катализаторов, ускорителей отверждения. В связующее с целью придания необходимых технологических и эксплуатационных свойств могут быть добавлены растворители, красители, пластификаторы, стабилизаторы и другие компоненты. Полимерные матрицы делятся на: термореактивные, термопластичные полимеры и эластомеры.

Термореактивные полимеры представляют собой сравнительно низковязкие жидкости (при температуре переработки), которые после пропитки армирующего материала за счет химических реакций превращаются в неплавкую твердую полимерную матрицу.

Достоинства: низкая вязкостью и температура отверждения; хорошо смачивают и пропитывают армирующий материал; имеют хорошую адгезию к большинству волокон, повышенную теплостойкость, стойкость в различных средах; их свойства можно регулировать в широком диапазоне путем варьирования компонентов, добавления модификаторов, катализаторов и изменения условий отверждения.

Недостатки: хрупкость, низкая вязкость разрушения и ударная прочность, невозможность вторичной переработки, ограниченное время жизни препрега, (время между изготовлением и переработкой в изделие) значительная химическая усадка в большинстве случаев.

Термопластичные полимеры

Термопластичные полимеры (термопласты) – это полимеры, которые размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении.

Для большинства термопластов характерна:

более высокая производительность и более интенсивные методы переработки;

формование деталей менее энергоемко;

возможно формование крупных, сложной конфигурации деталей;

возможна вторичная переработка;

характерна практически бесконечная жизнеспособность препрегов;

пониженная горючесть, дымовыделение при горении и токсичность продуктов горения;

высокая стойкость к излучению;

сочетание высокой прочности и теплостойкости с высокой ударной прочностью и трещиностойкостью.

Эластомеры

Эластомеры применяются в промышленности переработки пластмасс чаще всего как высокомолекулярные пластификаторы для снижения хрупкости стеклообразных или кристаллических полимеров.

Керамические матрицы

В настоящее время различают обычную и техническую керамику.

В состав обычной керамики входят силикаты, в технике используется керамика специального назначения, в состав которой входят различные оксиды, карбиды, нитриды, бориды, силициды, сульфиды.

Основными достоинствами керамических материалов являются высокие температуры плавления, высокие прочностные свойства в условиях действия сжимающих напряжений, химическая стойкость в агрессивных средах.

Основным недостатком конструкционной керамики является низкий уровень трещиностойкости (вязкости разрушения), обусловленной высокой прочностью химических связей, характерных для нее. [2]

Дисперсная фаза

Дисперсную фазу или наполнитель используют для улучшения эксплуатационных свойств композиционных материалов, придания им различных специфических свойств и снижения стоимости. Наполнитель играет ведущую роль в формировании основных характеристик, от него в значительной степени зависят  технологические свойства композитов и возможности их переработки в изделия.[3]

Основные виды наполнителей:

Дисперсные;

Волокнистые (металлические, керамические, стеклянные, углеродные, борные, органические, нитевидные кристаллы – усы);

Листовые (нетканые материалы, ткани, бумага, древесный шпон, ленты, холсты, сетки);

Объемные (объемные ткани, каркасные системы).

Дисперсные

Дисперсный наполнитель уменьшает усадку при прессовании, повышает жесткость и твердость изделий из композиционных материалов,  а в отдельных случаях изделия приобретают специфические свойства, например дугостойкость, электро- и теплопроводность, стойкость к действию электромагнитного и проникающего излучения.  Дисперсные наполнители вводят в термопласты с высокой энергией разрушения для снижения их стоимости, повышения жесткости и прочности при сжатии и улучшения их технологических характеристик при переработке. При этом их прочность при растяжении и ударная вязкость снижаются вследствие уменьшения доли полимера в наполненной композиции.

Волокнистые наполнители

Волокнистые наполнители занимают второе место после дисперсных по объему использования. Они применяются в виде нитей, жгутов, ровингов, при создании конструкционных, высокопрочных и высокомодульных композиционных материалов.

Волокнистые наполнители получают из:

металлов (сталь, железо, вольфрам, молибден, титан);

кварца;

базальта;

керамики;

полимеров. 

Наиболее распространенные стеклянные, углеродные, базальтовые, борные, полимерные волокна  диаметром 5-100 мкм, круглого и профильного сечений. Особый интерес представляют монокристаллические волокна (нитевидные кристаллы или «усы»), полученные из металлов, их окислов, карбидов, нитридов. Они отличаются исключительно высоким модулем упругости и прочностью при растяжении.

Применение волокнистых армирующих наполнителей ограничивает выбор методов формования и затрудняет изготовление изделий сложной конфигурации, однако повышает прочность, ползучесть, придает некоторые специфические свойства (теплозащитные, радиотехнические и др.).[3]

Листовые наполнители

Листовые (пленочные) наполнители с заданной структурой в виде тканей различного плетения (сатиновое, саржевое, полотняное), бумаги, древесного шпона, лент, холстов, тканых ровингов, сеток и нетканых материалов используют для получения слоистых пластиков.

Из слоистых пластиков наибольшее распространение получили текстолиты. Для изготовления текстолитов применяют легкие (масса 1 м2 – до 150 г), средние (до 300 г) и тяжелые (более 300 г) ткани различного плетения и нетканые волокнистые материалы массой до 820 г. Широко используются хлопчатобумажные (бязь, миткаль, бельтинг, шифон) и синтетические ткани (вискозные, ацетатные, полиамидные, полиэфирные). Самыми распространенными наполнителями являются стекло- и углеродные ткани и материалы на их основе – cтеклотекстолиты и карботекстолиты. По сравнению со стеклотекстолитами (плотность 1600-2100 кг/м3) органотекстолиты 31400 кг/м ) и теплопроводность, лучше поддаются технической обработке, но уступают им по прочности, тепло- и химической стойкости.

Природу волокна, вид плетения, массу 1м², пористость листовых наполнителей выбирают в зависимости от требований, предъявленных к изделиям. Наполнители в виде сеток используют для армирования полимерных материалов в двух направлениях, а также получения антифрикционных ленточных материалов. Материалом для изготовления

сеток чаще всего служат металлические, стеклянные, углеродные и полимерные волокна. [2]

Тканые материалы на основе стекловолокон

Стеклоткань изготовляют на обычном ткацком оборудовании путем взаимного переплетения двух систем нитей, расположенных перпенди­кулярно друг к другу. Одна система нитей, расположенная вдоль ткани, называется основой, а другая система - утком и расположена в пер­пендикулярном к основе направлении.

Прочностные свойства стеклотканей зависят от волнистости нитей, то есть от величины отклонения нитей от прямой при переплетении с другими нитями.

Применение стеклотканей с более выпрямлен­ными нитями обеспечивает более высокую прочность стеклопластиков на их основе.

Слоистые композитные материалы

К слоистым композитным материалам  относят композиционные материалы, имеющие в своем составе элементы выполненые в виде слоев.

Этим композитам присуща высокая изгибная прочность. Слоистая конструкция  создает исключительно богатые возможности для создания  материалов с  разнообразными сочетаниями технологических, декоративных, механических, теплофизических, электрических, оптических, химических и других свойств, в которых каждый слой имеет свою специальную функцию или даже несколько функций.

Объемные наполнители

К объемным наполнителям относятся: объемные ткани и открытопористые каркасные системы, структура которых непрерывна в трех направлениях. 

К основным характеристикам таких наполнителей относятся объемная масса, общая, закрытая и открытая пористость и размер пор. При заполнении пор каркасного наполнителя  полимерным связующим формируется взаимопроникающая структура материала. Свойства таких систем, в зависимости от концентрации наполнителя, в трех направлениях могут быть изотропными или анизотропными и определяются свойствами исходных компонентов, их соотношением и степенью пропитки.[3]

Заключение

Композиционныематериалы—материалы, состоящие из двух и более компонентов с четкой разницей между ними. Эти компоненты называют матрица и наполнитель. Они подбираются таким образом, чтобы их сочетание давало максимальный синергический эффект.

Матрица ответственна за сохранение конфигурации изделия, эксплуатационных нагрузок на арматуру, сопротивление другим внешним факторам. Она бывает металлическая, полимерная и керамическая

Наполнитель используют для улучшения эксплуатационных свойств композиционных материалов, придания им различных специфических свойств и снижения стоимости.

Основные виды наполнителей:

Дисперсные;

Волокнистые;

Листовые;

Объемные.

Дисперсный вид наполнителя является наиболее используемым, потому что он способен диспергироваться в полимере, а так же позволяет снизить стоимость композиционных материалов.

Список литературы

1. Moodle.kstu.ru [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://moodle.kstu.ru/mod/book/view.php?id=53119 (дата обращения 19.09.2021)

2.. Бондалетова , Л.И Полимерные композиционные материалы/ Л.И. Бондалетова, В.Г. Бондалетов// – Томск: Изд-во Томского политехнического университета— 2013. – 118 С.

3. Detalmach.ru [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.detalmach.ru/composit1.htm#_% (дата обращения 19.09.2021)

Код для цитирования: Скопировать