Композиционные материалы. Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Оренбургский государственный университет»

Л.В. Межуева, А.В. Быков, А.П. Иванова

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебное пособие

Рекомендовано ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет» для обучающихся по образовательным программам высшего образования по направлениям подготовки 18.03.01 и 18.04.01 Химическая технология

Оренбург

2024

УДК 667.5.033.33

ББК 30.36:35.71я73 М43

Рецензент – профессор, доктор технических наук В.М. Кушнаренко

Межуева, Л.В.

М43 Композиционные материалы : учебное пособие/ Л.В. Межуева, А.В. Быков, А.П. Иванова; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург : ОГУ, 2024. - 105 с.

ISBN

В пособии изложена краткая характеристика композитов, принципы их создания, особенности их структуры и основные свойства. Пособие также содержит закрепление материала с помощью лабораторных работ.

Пособие предназначено для обучающихся по образовательным программам высшего образования по направлениям подготовки 18.03.01 и 18.04.01 Химическая технология всех форм обучения, преподавателей, научных работников, аспирантов.

УДК 667.5.033.33

ББК 30.36:35.71я73

ISBN

Межуева Л.В.,

Быков А.В.,

Иванова А.П., 2024 ОГУ, 2024

2

Введение

21 век можно смело назвать веком композиционных материалов, а,

следовательно, и внимание им уделяют особое. Именно эти материалы обеспечивают высокие эксплуатационные свойства современных вычислительных машин, автомобилей, бытовой техники и много другого, что используется на заводах.

Современная переработка композиционных материалов в большинстве своем усовершенствованные методы, применяемые в керамической и металлообрабатывающей промышленности. Это каландрование, отливка, прямое прессование, литьё под давлением, экструзия, пневмоформование,

термоформование, вспенивание, армирование, формование из расплава,

твёрдофазное формование.

Рассмотрение технологии переработки полимеров и композиционных материалов предполагает владение понятийным аппаратом, а именно, знание определений, которыми необходимо оперировать в инженерной деятельности.

Учебное пособие раскрывает вопросы, касающиеся понятий и классификации полимеров и композиционных материалов, способов их переработки в изделия, их разнообразия и необходимости той или иной переработки. Рассмотрены вопросы,

связанные с современным состоянием и тенденциями развития получения и применения этих материалов, направлениями развития химической технологии в области переработки полимеров и композитов.

Данное пособие предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям подготовки 18.03.01 и 18.04.01 «Химическая технология».

5

1 Основные понятия композиционных материалов

1.1 Композиционные материалы и их характеристика

Композиционный материал (КМ), сокращённо «композит» – материал,

состоящий из нескольких компонентов с диаметрально противоположными физическими и/или химическими свойствами, приводящими к образованию нового материала со свойствами, не похожими на свойства каждого компонента,

составляющих этот материал. При этом компоненты при хорошей совместимости не должны никоим образом взаимодействовать друг с другом, а сочетание разных компонентов, которые остаются неизменными в структуре композитов, позволяет улучшить характеристики материала и делает его одновременно лёгким и прочным.

Такой материал хорошо работает в условиях высоких температур, нагрузок и является коррозионностойким в агрессивных средах.

Таким образом, при создании композитов руководствуются следующими критериями:

1) симбиоз материала должен быть объемным, начиная от двух химически разнородных материалов с четкой границей раздела между фазами, образующими этот композит;

2) иметь показатели, которые не являются показателями отдельных его составляющих.

Композитный материал включает матрицу/матрицы и наполнитель/наполнители с функцией армирования (рисунок 1). Практически это любой материал с разнородной структурой, как минимум с двумя компонентами. В

качестве наполнителей композитов, как правило, выступают углеродные или стеклянные волокна, а роль матрицы играет полимер. Изменяя составляющие матрицы и наполнителя, их количество, подбирая соответствующую ориентацию наполнителя, получают материалы с заранее заданными свойствами.

6

1 – матрица, 2 – наполнитель, 3 – переходный слой на границе раздела компонентов

Рисунок 1 – Структура композиционных материалов

Создание композиционных материалов привело к получению легких по массе и одновременно имеющих превосходные механические характеристики материалы.

Нет такой отрасли промышленности, где бы ни использовался композитный материал, но самыми активными пользователями являются авиация, космонавтика,

наземный транспорт, машиностроение.

Композиционные материалы известны много тысяч лет. Так, в гончарном ремесле за 5000 лет до н. э. человек стремился уменьшить усадку глины и ее растрескивание при обжиге путем введения мелких компонентов органического происхождения.

Наука о композиционных материалах активно стала развиваться с их успешным применением в самолето- и ракетостроении. Доля этих материалов в некоторых образцах самолетов достигает 50%, а в ракетах – до 90%. Использование КМ позволило снизить вес деталей, что в свою очередь увеличить, например,

дальность полета.

7

1.2 Классификация композиционных материалов

Как уже было сказано выше, композиты являются гетерогенными системами.

У них повышенная жесткость, прочность, теплостойкость, ударная прочность, при этом пониженные газо- и паропроницаемость, и, что не мало важно, достаточно низкая стоимость.

Однако все достоинства в одной композиции собрать невозможно, а

достижение каких-либо свойств порой влечет ухудшение других. Для достижения баланса между широким набором свойств КМ необходимо прочное сцепление между фазами, между матрицей и наполнителем. Это возможно за счет адсорбции или химического взаимодействия.

Как любые материалы, композиты классифицируют по разным признакам,

однако объединить их единым делением не представляется возможным из-за разнородных материалов, входящих в их состав. Выбирая тот или иной композит,

чаще всего ориентируются на материал матрицы, поэтому на рисунке 2

представлена классификация по материаловедческому признаку.

Эта классификация разбивает весь материал на матрицу, наполнитель и разбирает структуру композита в целом.

Рассмотрим это деление и начнем с материала матрицы. Деление матрицы по ее материалу предполагает матрицу металлическую, полимерную и керамическую.

Композиты с такими матрицами имеют соответствующее название и аббревиатуру:

металлический композиционный материал – МКМ, полимерный композиционный материал – ПКМ и керамический композиционный материал – ККМ.

Если матриц в одном материале несколько и материал их разнородный, то его называют полиматричным композитом. При этом сначала в названии таких материалов фигурирует название материала наполнителя, а затем «пластик» или

«волокнит». Так если наполнитель металл, то название звучит металлопластик или металловолокнит, если наполнителем является углеродное волокно, то – углепластик или углеволокно и т.д.

8

МКМ и ККМ в своем названии показывают материал матрицы, и затем материал волокна через дефис. Например, написание композита алюминий-магний,

говорит о том, что материал матрицы – это алюминий, а материал волокна магний.

Часто в названии композитов можно встретить сложное слово, образованное из материала волокна и материала матрицы, т.е. сначала указывают волокно, а затем матрицу. Так, в названии бороалюминий фигурирует волокно из бора, а матрица из алюминия.

Композиты

Рисунок 2 – Классификация по материаловедческому признаку КМ

Теперь рассмотрим, как происходит деление наполнителя в этой

классификации. И деление это проводят по геометрическим признакам

наполнителя, а именно классифицируют композиционные материалы на порошковые или дисперсионно-упрочненные (с нуль-мерными упрочнителями),

волокнистые (с одномерными упрочнителями) и слоистые (с двумерными упрочнителями) (рисунок 3).

В основу этой классификации положено понятие элементарной ячейки, т.е.

минимального объема образца, который характеризуется всеми свойствами КМ и

Обозначают нульмерные, одномерные и двумерные компоненты индексами в соответствующем порядке 0*, 1 и 2.

Нуль-мерные упрочнители по осям X, Y, Z имеют очень малые размеры одного порядка. Именно матрица у такого материала воспринимает все нагрузки и является несущей. За счет малых размеров наполнителя, при деформировании композита движение дислокаций затруднено, что и является упрочнением.

Эффективное упрочнение достигается при содержании от 5 до 10 % (об) частиц упрочняющего вещества. Такой материал имеет высокие прочностные характеристики и сопротивления ползучести. Порошковые композиты имеют металлическую матрицу и применяются как жаропрочные.

Волокнистые материалы с одномерными упрочнителями характеризуются тем, что в таких КМ несущим компонентом является упрочнитель, а матрица служит для передачи ему внешних нагрузок. Это объясняется тем, что у них размеры в двух измерениях очень малы, а в третьем – значительно превосходит их размер.

1 – одномерный КМ; 2 – двумерный КМ Рисунок 3 – Схема армирования композиционного материала

Слоистые КМ имеют двумерные упрочнители с малыми размерами в одном измерении и значительными размерами в двух других измерениях (рисунок 3). В

таких материалах упрочнитель воспринимает нагрузку.

Эффективная работа материалов, различных по своим физико-механическим свойствам компонентов, из которых создан композит, позволяет получить

10