Поверхность раздела фаз

При разработке композиционного материала нельзя забывать и о третьем обязательном компоненте материала - границе фаз между волокном и матрицей. Очень часто это наиболее слабое место материала, и именно здесь начинается разрушение, как при механических нагрузках, так и при других воздействиях, например, под влиянием внешней атмосферы, воды и прочих. Поэтому во многих случаях проводят специальную обработку поверхности волокон. Углеродные волокна подвергают окислению, в результате чего на их поверхности образуются гидроксильные, оксидные другие полярные группы, хорошо взаимодействующие с полимерной матрицей. Так же поступают и с полиэтиленовыми волокнами, обрабатывая их в плазме.

На стеклянные волокна наносят специальные химические вещества - аппреты, которые чаще всего вступают в химические реакции как с поверхностью волокна, так и со связующим при его отверждении, образуя, таким образом, химическую связь между волокном и матрицей.

В большинстве этих соединений кремнийорганическая группа вступает в реакцию с гидроксильными группами на поверхности стеклянных волокон, образуя химическую связь:

R–Si–(OCH₃) + HO–Si(пов) → R–Si–O–Si(пов) + CH₃OH.

При отверждении связующего другая группа аппрета, например, винильная, реагирует с молекулами связующего, образуя химическую связь с матрицей:

R*_связ. + CH₂=CR₁R₂ → R_связ.–CH₂–C*R₁R₂.

Благодаря образующимся химическим, сильным полярным или водородным межмолекулярным связям между поверхностью волокна и матрицей повышается прочность адгезии и стойкость материала в агрессивных средах и воде.

В заключение заметим, что дальнейшее развитие ПКМ следует рассматривать как движение в двух направлениях. Первое - разработка дешевых компонент и методов их переработки в полуфабрикаты и изделия для гражданских целей широкого применения. Для этой цели в качестве матриц, по-видимому, будут использоваться многотоннажные полимеры (например, полипропилен и другие) и дешевые полиэфирные смолы. В качестве волокон - стеклянные, углеродные на основе пеков или полимер-пековых композиций, а также более дешевые полимерные волокна.

Второе направление - повышение рекордных характеристик композитов. В последнее время второе направление в значительной степени потеряло финансирование как у нас в стране, так и в западных странах в связи с прекращением холодной войны и гонки вооружения. Однако такие материалы, хоть и в небольших масштабах, будут всегда требоваться для космической, авиационной и других гражданских отраслей техники. Можно надеяться, что в скором будущем будут достигнуты значения прочности порядка 10 ГПа для углеродных и полиэтиленовых волокон. Большие усилия направлены сейчас на создание высокопрочных высокомодульных поливинилспиртовых волокон.

Непрерывно появляются новые типы волокон на основе жесткоцепных полимеров. Поэтому можно ожидать получения таких волокон с характеристиками лучшими, чем у волокон типа кевлар. Уже сейчас полибензотиазольные и полибензоксазольные имеют модуль упругости, значительно превышающий модуль кевлара и близкий к модулю углеродного волокна.

Таким образом, создание, изучение и использование композиционных материалов - чрезвычайно перспективная и бурно развивающаяся область современного материаловедения. Методические указания предназначены для практических занятий по курсам «Перспективы развития композиционных материалов» студентам направления 16.03.01 «Техническая физика» (профиль подготовки «Физическая электроника») и «Конструкционные и композиционные материалы» студентам направления 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» (профиль – «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов») очной формы обучения с целью помочь обучающим закрепить сведения, полученные в процессе самостоятельного изучения теоретического материала. Методический материал включает вопросы для практических (семинарских) занятий по закреплению теоретического материала.

3. Вопросы для практических занятий

3.1. Функциональные композиционные материалы.

Введение в физику функциональных композиционных

материалов

1. Что составляет содержание науки о материалах?

2. Какие науки вносят наибольший вклад в изучение материалов?

3. Как определить место наук о материалах среди остальных наук?

4. Какие существуют методы физико-химического исследования материалов?

5. В чем проявляется роль фундаментального материаловедения в современном обществе?

6. В чем причина изменения приоритетов развития материаловедения? Каковы основные тенденции развития современного материаловедения?

7. Что относят к перечню критических технологий развития в настоящее время?

8. В чем различия между понятиями «элемент», «вещество», «изотоп», «изомер», «химический индивид», «фаза», «бертоллид», «дальтонид», «твердый раствор», «материал»?

9. Что выражают химический и фазовый состав материалов? Что такое «агрегатное состояние», «аллотропия», «полиморфизм», «политипия»?

10. Для каких типов веществ действует законы кратных соотношений и закон постоянства состава?

11. Что выражают фазовые диаграммы?

12. Каковы необходимые и достаточные условия отнесения кристалла к «идеальному», «совершенному», «реальному», «дефектному», «равновесному» типу кристаллов, к «квазикристаллу»?

13. Какие дефекты относятся к равновесным и неравновесным?

14. Какие дефекты называют точечными, протяженными, нульмерными, одномерными, линейными, двумерными, трехмерными, объемными? Придумайте альтернативные варианты классификации дефектов.

15. Какого цвета “F-центры” в галогенидах щелочного металла? Объясните, из-за чего возникает такая окраска?

16. Докажите, что в кристаллах должна существовать равновесная концентрация дефектов. Почему в координатах логарифм концентрации – обратная температура концентрация дефектов по Шоттки или по Френкелю выражается прямой линией? Может ли в кристалле существовать равновесная концентрация дислокаций?

17. С чем может быть связано существование у фазы односторонней области гомогенности?

18. Что такое плоскости кристаллографического сдвига? Как они возникают? Для каких оксидов типично наличие плоскостей кристаллографического сдвига? Как наличие таких дефектов может модифицировать диаграмму состояния?

19. Каковы причины возникновения дислокаций? Какой тип энергии запасается в дислокациях? Какие существуют типы дислокаций? Как дислокации взаимодействуют друг с другом? 20. Что такое дислокационная стенка и источник Франка-Рида? Что такое вектор Бюргерса? Какова роль дислокаций? Какова взаимосвязь дислокаций и точечных дефектов?

21. Что такое дефекты упаковки? Связаны ли дефекты упаковки с дислокациями?

22. Как происходит процесс двойникования в кристаллах?

23. В чем различие между когерентными, полукогерентыми и некогерентными включениями?

24. Какие существуют типы межкристаллитных границ? Что такое малоугловые и специальные границы? Какова роль межкристаллитных границ в реализации тех или иных свойств, химических и фазовых превращений в материале?

25. Чем бертоллид отличается от дальтонида? Все ли дальтониды являются точечными фазами? Всегда ли твердый раствор является бертоллидом? Какие дефекты могут приводить к образованию бертоллида? Какие дефекты может содержать дальтонид?

26. Что такое материал (общее определение)? Приведите примеры использования «обычных» веществ в качестве материалов?

27. Почему для неорганических твердофазных материалов, как правило, не выполняется закон постоянства состава?

28. Какое уравнение можно рассматривать как основное уравнение состояния точечных дефектов?

29. Как дефекты могут влиять на функциональные свойства материала? В каких случаях дефекты могут оказывать положительный эффект на функциональные свойства материала?

30. Что такое корреляция «состав-воздействие-структура-свойство» и каковы причины существования подобных корреляций для материалов? Приведите примеры.

31. Какие типы дефектов и в каких материалах необходимы для проявления улучшенных функциональных характеристик?

32. Почему литий часто используется для создания электрон-ионных проводников?

33. Приведите примеры изменения ионной проводимости при гетеровалентном легировании.

34. Из-за чего возникают ассоциаты дефектов типа «расщепленных (или гантелевидных) междоузлий»?

35. Какие законы сохранения должны учитываться при составлении квазихимических уравнений?

36. Предскажите, как изменяются проводящие свойства вюстита, диоксида циркония, оксида никеля (II), оксида цинка и оксида меди (I) при различных парциальных давлениях кислорода.