Глава 1.

Композиционные материалы

Композиционные материалы (КМ) — сложные материалы, состоящие из 2-х или более компонентов (дискретных элементов и связующей их матрицы) и обладающие специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств составляющих их компонентов. Дискретные элементы могут выполнять пас­сивную роль — служить наполнителем, либо активную — использоваться как армирующие (упрочняющие) элементы. Инертные наполнители чаще всего ис­пользуются для снижения стоимости композита, для заполнения объема. Ак­тивные наполнители применяются для модификации механических либо функ­циональных свойств (прочность, окраска, электропроводность и т. п.).

Композиционные материалы (композиты) состоят из химически разнородных компонентов, нерастворимых друг в друге и связанных между собой в результате адгезии. Основой композитов является пластическая матрица, которая связывает наполнители, определяет форму изделия, его монолитность, теплофизические, электро- и радиотехнические свойства, герметичность, химическую стойкость, а также распределение напряжений между наполнителями.

Нельзя сказать, что КМ являются изобретением человека. В природе можно найти множество примеров КМ, которые в качестве конструкционных матери­алов, из которых «построены» живые организмы, обеспечивают решение про­блемы обеспечения необходимого комплекса механических свойств. Примеры: стебли растений, древесина, кости животных и человека и т. д.

Требования к компонентам — не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга. Должны быть хорошо совместимы.

Свойства КМ нельзя определить только по свойствам их компонентов, без учета их взаимодействия.

Армирующие компоненты могут представлять собой волокна, порошки, мик­росферы, кристаллы и «усы» из органических, неорганических, металлических материалов или керамики.

Классификация — обычно по виду структурных элементов: упрочненные частицами, волокнистые, скелетные (каркасные);

Волокнистые КМ:

- однонаправленные с непрерывными волокнами;

- с измельченными (короткими) волокнами;

- армированные непрерывными волокнами,

Волокно — элемент материала относительно короткой длины и очень ма­лого поперечного сечения. «Усы» (нитевидные кристаллы) — очень короткие волокна, обычно из монокристаллов.

Наиболее распространенные связующие для армированных пластиков, ко­торые преобладают в общем объеме производства композитов — полимеры: полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды, силиконы, алкиды, меламины, полиамиды, фторуглеродные соединения, полипропилен, полиэтилен, полистирол и т. п.

Связующие часто делят на термопласты (способные размягчаться и затвердевать при изменении температуры) и реактопласты или термореактив­ные смолы (в которых при нагревании происходят необратимые структурные и химические превращения). Наибольшее распространение получили терморе­активные связующие.

1.1 Связующие материалы композитов

1.1.1 Полимеры и их свойства

Общие характеристики

Характерной особенностью всех высокомолекулярных соединений (полиме­ров) является то, что они состоят из макромолекул — гигантских (по меркам молекулярных представлений) молекул, образовавшихся в результате химиче­ского соединения большого количества исходных молекул-мономеров. Исход­ные молекулы могут быть как однотипными (гополимер), так и разнотипны­ми (сополимер). Молекулы высокомолекулярных соединений содержат боль­шое количество (сотни и тысячи) атомов, связанных в определенной последо­вательности в одну цепь. Практически все полимеры имеют повторяющиеся элементы в своей структуре.

Свойства высокомолекулярных соединений зависят от химического строе­ния, молекулярного веса, структуры цепи, взаимного расположения молекул и других факторов. Несмотря на разнообразие свойств, полимеры обладают и общими характерными признаками, среди которых можно отметить следую­щие:

- достаточно высокие механические свойства;

- тугоплавкость и нелетучесть (в большинстве случаев);

- плохая растворимость.

По способу получения полимеры подразделяют на полимеризационные и поликонденсационные.

Процесс полимеризации есть реакция взаимодействия многих молекул мо­номера и соединения их в большую молекулу полимера, имеющего тот же эле­ментарный состав, что и исходный мономер. Для реакции полимеризации ха­рактерным является то, что при ней не выделяются какие-либо побочные про­дукты.

Процесс поликонденсации представляет собой реакцию соединения большо­го числа молекул двух или нескольких разных мономеров с выделением по­бочных продуктов реакции (вода, спирт и др.). Состав элементарного звена полимера, получающегося в результате реакции, отличается от состава исход­ных мономеров.

Одним из наиболее употребительных способов классификации полимеров является их разделение по отношению к воздействию тепла: выделяют термо­пластичные, термостабильные и термореактивные полимеры.

Термопластичные соединения при нагревании проявляют возрастающую пла­стичность, могут переходить в вязко-текучее состояние. При последующем охла­ждении вновь возвращаются в твердое упругое состояние. Такой процесс может повторяться многократно. Термопластичными обычно являются полимеры с линейной или разветвленной структурами макромолекул,

характеризующихся слабым межмолекулярным взаимодействием.

Термореактивные соединения при нагревании легко переходят в вязко-теку­чее состояние, но при длительном воздействии повышенной температуры пре­вращаются в твердую стеклообразную или резиноподобную массу. Возврата пластичных свойств после такого превращения уже не происходит. Это объ­ясняется тем, что данный класс полимеров при нагревании испытывает хими­ческие превращения, вследствие которых материал приобретает сетчатую или пространственную структуру макромолекул. Подобные свойства характерны для смол.

Термостабильные соединения слабо реагируют на изменение температуры. Их физические свойства мало изменяются вплоть до терморазрушения. Такое поведение характерно для полимеров с сетчатой и пространственной структу­рами макромолекул, а также для некоторых материалов, имеющих линейную высокоориентированную полярную структуру.

Физико-механические свойства полимеров

Физико-механические свойства полимеров опреледяются не только их хи­мическим составом, но и физическим состоянием. Полимеры могут находиться в аморфном или частично кристаллическом состоянии. В случае аморфного состояния упорядоченное строение наблюдается только на расстояниях, срав­нимых с размерами звеньев цепи. Под кристалличностью понимается упорядо­ченное расположение макромолекул. Для кристаллических полимеров порядок в расположении молекул наблюдается на расстояниях во много раз превыша­ющих размеры звеньев цепи полимера.

Обычно для полимеров характерно смешанное состояние, когда часть объ­ема находится в кристаллическом состоянии, а часть — в аморфном. Принято считать, что полимер находится в кристаллическом состоянии, если это состо­яние имеет 60 и более процентов его объема. Степень кристалличности зависит от условий, в которых полимер находится (температура, влажность, механиче­ское нагружение и т. п.).

Даже в кристаллическом состоянии полимеры по своим деформационным свойствам отличаются от низкомолекулярных соединений, например, металлов. Возрастание деформаций приводит к тому, что макромолекулы вытягиваются вдоль направления деформирования. Ориентированные полимеры характери­зуются анизотропией физико-механических свойств и возрастанием прочности по сравнению с полимерами в разориентированном кристаллическом состоя­нии. Ориентированное состояние может быть зафиксировано путем «вытяги­вания» полимера при повышенной температуре и последующего охлаждения в деформированном состоянии.