Лекция 14.02.

Композиционные материалы (км) - неоднородный, сплошной материал с четкой границей раздела фаз, состоящий из двух или более других материалов, различных по своей природе, химической структуре, но связанных между собой. Основные составные части км это матрица и наполнитель.

Матрица (связующее, непрерывная фаза) представляет дисперсионную среду.

Наполнитель - дисперсная фаза.

Наполнитель - армирующая часть км, отвечает за прочность, жёсткость и другие механические характеристики.

Матрица - часть км, обеспечивает монолитность и совместную работу составляющих компонентов наполнителя.

Функционирование и поведение км и изделий из них под действием внешних нагрузок определяется свойствами наполнителя и матрицей, а также их соотношением и прочностью связи между ними. Армирующие наполнители должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований.

Эксплуатационные требования - требования, которые определяют прочность, жёсткость, плотность, стабильность в определенном температурном интервале, химическую стойкость и так далее.

Технологические требования: технологичность волокон, определяющая возможность создания высокопроизводительных процессов, изготовление силовых каркасов и изделий на их основе.

Классификация композитных материалов.

Армирующие наполнители (компоненты) используют в виде нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов и так далее. Свойства км при этом зависят от свойств волокон и матрицы, от способа армирования(усиления) в соответствии с которым по конструктивному признаку выделяют две основные группы:

К первым относятся композиты, образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокнами с определённой ориентацией волокон.

Вторые - композиты без выраженной ориентации армирующего наполнителя.

Армирующие наполнители, как правило, волокнистые материалы. Их форма определяется природой волокон, способом их получения, дальнейшей текстильной переработкой, а также процессам изготовления композитов и изделий из них.

Волокнистые наполнители - непрерывные волокна, которые представляют крученные и некрученые нити, жгуты из таких нитей, ленты, ткани различного переплетения и короткие волокна в виде порошков, штапельных тканей, матов и так далее. По химической структуре матрицы принято делить на следующие группы:

1 полимерные композиционные материалы, которые в качестве матрицы используют различные полимерные материалы (например, эпоксидная и фенольная смолы) ПКМ

2 металломатричные км - в них матрица=металлы МКМ

3 углерод - углеродные км УУКМ (в таких км и матрица, и наполнитель являются разным по структуре углеродом)

4 керамоматрмчные км (матрица=керамика)

Группы наполнителей по химической структуре:

1 км со стеклянными наполнителями (стеклоткани, стекломаты, стекловолокно)

2 км с углеродными наполнителями (углеткани, углеволокна, углеродные стержни)

3 км с органическими наполнителями (синтетическими полимерными волокнами)

4 км с базальтовыми наполнителями (базальтовые ткани, рУбленные волокна, сетки и так далее)

Полимерные с направленными наполнителями.

Формулы

Удельная прочность - отношение прочности при растяжении материала к удельному весу.

Удельная жесткость - отношение модуля жёсткости к удельному весу.

Основное преимущество полимерных км является их превосходство в удельных характеристиках.

Применение ПКМ:

Авиационная техника (детали самолёта)

Автомобильная промышленность (корпус, рама)

Спортивный инвентарь ( лыжи, части велосипедов)

Стеклопластиков трубы, газовые баллоны

ПКМ меньше подвержены коррозии, чем металл и сталь.

Недостатки ПКМ:

1 высокая цена

2 невысокая температура эксплуатации в сравнении с металлами и керамикой.

Базальтовые волокна - самый дешёвый ресурс.

Верхнее значение температуры эксплуатации зависит в основном от используемой матрицы и колеблется в районе 120-300 градусов.

Виды полимерных матриц.

1 термопластичные -

2 термореактивные - низковязкие(сопротивление течению) легкорастворимые продукты (смолы), способные отверждаться при нагреве под действием отвердителей, катализаторов с образованием необратимой сетчатой структуры (нерастворимая и неплавкая). В производстве КМ и изделий из них используют эпоксидные связующие, кремний-органические, фенолформальдегидные, полиэфирные и другие. Термореактивные связующие после отверждения находятся в стеклообразном состоянии. Для этого состоянии характерны небольшие упругие(обратимые) деформации и высокие значения модуля упругости.

Эпоксидные смолы представляют смесь олигомерных продуктов. Чаще применяют эпоксидные смолы, получаемые из эпихлоргидрина (хлорпроизводнре от окиси пропилена) и дивинилпропана (безфенол а).

Такие смолы называются диановые.

Второй вариант получения эпоксидные смол - эпихлоргидрин и продукты поликонденсации метилолфенолов. Такие смолы - полиэпоксидные или эпоксифенольные.

Преимущества эпоксидные связующих:

1 высокие механические и отгезионные характеристики, которые позволяют в полной мере использовать свойства армирующих волокон

2 низкая вязкость, обеспечивающая высокопроизводительную пропитку наполнителя.

Термопластичные матрицы - высокомолекулярные линейные полимеры (могут быть в виде волокон, порошка, плёнки), которые при нагревании расплавляются, а при последующем охлаждении затвердевают и их состояние после этого является обратимым, в отличие от термореактивных. Они как правило высоковязкие (так же в отличие).

Их преимущества:

1 высокая скорость технологических процессов в связи с отсутствием необходимости длительных циклов выдержки при повышенных температурах и давлении.

2 повышенные физико-механические характеристики (высокая износостойкость, высокая ударная вязкость).

3 возможность вторичного использования; посредством нагрева достигается разделение полимера с наполнителем для последующего вторичного использования каждого компонента.

4 многолетняя длительность хранения термопластичный связующих.

Ограничения применения термопластичный полимеров.

1 высокая вязкость расплава (затрудняется пропитка наполнителя).

2 низкая адгезия(прилипание) к армирующему наполнителю.

Лекция 28.02

Как правило применяются полимеры, имеющие высокие показатели прочности и модуля упругости, так называемые конструкционные полимеры. Выбор между термопластом и реактопластом имеет следующие обоснования:

• Термопласты являются высокомолекулярными соединениями (ВМС) с высокой вязкостью (большая молекулярная масса)

• Длинные волокна нельзя смешать с полимером так как при смешении такие волокна ломаются и становятся короткими. Длинные волокна можно только пропитать связующим.

Пропитка волокнистого наполнителя высоко вязким полимером - дорогостоящий процесс, требующий специального сложного оборудования. Поэтому для непрерывных (длинных) волокон в качестве связующего используют относительно низкомолекулярные и невязкие связующие - реактопласты в виде олигомеров (смолы, которые после пропитки и формования изделия переводят в высокомолекулярное твердое состояние путем химической реакции полимеризации с образованием трехмерной сетчатой структуры. Используемые химически отверждаемые олигомеры ещё называют реактопластичные олигомеры. Термопласты используются в качестве связующего с короткими волокнами длинной не более 8 мм.

Исходные олигомеры - непрочные вещества, часто жидкие и для придания твердости их необходимо отвердить. Отверждение осуществляют химическим способом по реакции полимеризации или поликонденсации с образованием трехмерной сетки ковалентных связей между молекулами. От густоты этой сетки зависят упруго-прочностный свойства.

Алегомерные реактопластичные связующие делят на однокомпонентные и двухкомпонентные. Однокомпонентные используют для технологических процессов, в которых отверждение связующего предусмотрено при температурах более 120 градусов. Двухкомпонентные при комнатной температуре без подвода тепла, Двухкомпонентное связующее состоит из алигомерного связующего и агента отверждения. Такая смесь не может хранится долго при комнатной температуре, поэтому компоненты смешивают непосредственно перед совмещением связующего с наполнителем.

Однокомпонентное связующее имеет в своем составе содержит агент отверждения или катализатор отверждения.

Такая смесь хранится долго при комнатной температуры от 1 до 6 месяцев.Процесс отверждения происходит за счёт нагревания до температуры от 120 до 250 градусов.

Из термопластов часто наполняют (полиамиды, поликарбанат, полиэтилентерефталат, полиалифины)

Выбор связующего зависит от

Упруго-прочностные свойства, теплостойкость, удельного веса, стоимости изделия.

Прочность - чем прочнее связующее тем прочнее будет композит

-типы и длина волокна, степень наполнения, форма волокна, способ укладки). Наиболее высокие упруго-прочностные свойства обеспечивают некоторые виды эпоксидного связующего горячего отверждения. Наименьшей прочностью обладают ПКМ с полиэфирной смолой. Выбор полимерного связующего определяет теплостойкость и термостойкость композитов, его химическую стойкость.

Одно из преимуществ сетчатых полимеров - их более высокая теплостойкость по сравнению с линейными термопластами.

Термостойкость реакто пластичные зависит от густоты сшивки, зависящей от температуры отверждения.

Самые термостойкие это полиамидные связующие (наиболее дорогостоящие)

Наименьшей термостойкостью обладают полиэфирные смолы (самые дешевые)