Лекція 2.
Композиційні матерали. Терміни та визначення. Функціональна різниця компонентів. Сполучення різнорідних речовин для отримання нових властивостей. Основні фактори, що визначають характеристики композитів. Маса і властивості композитів у порівнянні з традиційними матеріалами.
Література : [2-6, 12, 25].
Завдання на СРС: Вивчення лекційного матеріалу з використанням літератури.
Уявлення про композити. Склад і структура. Армуючи елементи та матриця.
Композиційний матеріа́л (компози́т, КМ) — неоднорідний суцільний матеріал, що складається з двох або більше компонентів, серед яких можно виділити армуючі елементи, що забезпечують необхідні механічні характеристики матеріала, та матрицю (або зв’язуючи), що забезпечує спільну роботу армуючих елементів.
Сполучення різнорідних речовин дозволяє створювати новий матеріал, властивості якого кількісно та якісно відрізняються від властивостей кожного з його складових.
Шляхом варіації складу матриці (зв’язуючих компонентів) і армуючи елементів (наповнювачів), їх співвідношення, орієнтації наповнювача, отримують широкий спектр матеріалів з необхідними властивостями. При цьому багато композитів переважають традиційні матеріали за своїми механічними властивостями при відносно меншій масі. Застосування композитів часто дозволяє зменшити масу конструкції при збереженні або поліпшенні її механічних характеристик.
Характеристики композиції визначаються співвідношенням властивостей армуючи і зв’язуючих складових, міцністю зв’язку між ними.
Ефективність і працездатність матеріалу залежать від вірного вибору вихідних компонентів і технології їх поєднання, що має забезпечити міцний зв'язок між компонентами при збереженні їх первісних характеристик.
Для створення композиції використовують різні армуючі наповнювачі та матриці (зв’язуючі ). Композиционные материалы состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основу неорганических материалов составляют модифицированные различными добавками силикаты магния, железа, алюминия.
То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Одно из самых древних, по всей видимости, описаний изготовления композиционного материала приводится в Ветхом Завете (Исход, гл. 5):
«И пришли надзиратели сынов Израилевых и возопили к фараону, говоря: «Для чего ты так поступаешь с рабами твоими? Соломы не дают рабам твоим; а кирпичи, говорят нам, делайте. И вот рабов твоих бьют; грех народу твоему». Но он сказал: «Праздны вы, праздны; поэтому и говорите „Пойдем, принесем жертву Господу". Пойдите же, работайте. Соломы не дадут вам, а положенное число кирпичей давайте».
Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.
Наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4–6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями.
Таким образом композициомнный материамл – это неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.
Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.
В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.
Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы.
Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.
Гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера…
Текстолиты – слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить.
Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.
Материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.
2. Состав и строение композита
Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др.
Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.
Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.
Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители.
Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов.
По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами); слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями); дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц);
нанокомпозиты.
Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами – кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов.
Папье́-маше́ (фр. papier-mâché «жёваная бумага») — легко поддающаяся формовке масса, получаемая из смеси волокнистых материалов (бумаги, картона) с клеящими веществами, крахмалом, гипсом и т. д. Из папье-маше делают муляжи, маски, учебные пособия, игрушки, театральную бутафорию, шкатулки. В отдельных случаях из папье-маше изготавливают даже мебель и светильники, которые не так-то просто отличить от «настоящих»[1].
Так же термином «папье-маше» называется техника изготовления относительно тонкостенных, но жёстких слепков из небольших обрывков бумаги, во много слоёв приклеиваемых на какую-либо форму. [2]. Бумагу часто используют газетную. Клей — ПВА или мучной клейстер. Формы — гипсовые, хотя часто используются воздушные шарики для основы сферической поделки. Иногда среди слоёв бумаги добавляют слои ткани/марли, чтобы изделие стало более крепким на разрыв (то есть армируют).
Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.
В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.