Композиционные материалы. Учебное пособие

Массовые доли наполнителя и связующего в процентах определяют из соотношений:

где mа – масса остатка после прокаливания, г;

mкм – исходная масса образца композиционного материала, г.

Для определения объемного содержания арматуры Ра необходимо знать плотность композиционного материала и арматуры

a mКМ ρa

где КМ, а – плотности композиционного материала и арматуры соответственно, г/см3.

Приведенные расчеты предполагают отсутствие пор в исходном материале.

Если материал пористый, то необходимо проводить расчеты с учетом пористости.

Если известна плотность матрицы, то можно определить объемное содержание пор Pp

где км, а, с – плотности композиционного материала, арматуры и связующего соответственно, г/см3.

За результат принимают среднее арифметическое значение всех экспериментов. По результатам эксперимента заполняют протокол. Сравнивают полученное значение степени наполнения с заданной изначально, делают вывод.

91

7.2 Определение содержания компонентов гравиметрическим методом

Оборудование и материалы: образцы композиционного материала, весы с точностью до 0,001 г.

Ход работы. Берут образцы композиционного материала любой формы и размеров. Определяют плотность композита по одной из стандартных методик: гидростатическим взвешиванием или методом прямого обмера и взвешивания. Плотности исходных компонентов берут из справочника или определяют экспериментально.

Объемное содержание арматуры рассчитывают по соотношению

где КМ, а, с – плотности композиционного материала, арматуры и связующего соответственно, г/см3.

Гравиметрический метод является точным только в случае полного отсутствия в композите пустот.

За результат принимают среднее арифметическое не менее трех результатов эксперимента. Сравнивают полученное значение степени наполнения с заданной изначально, делают вывод.

Полученные результаты заносят в таблицу 8, 9

Таблица 8 – Результаты испытаний методом выжигания

92

Среднее арифметическое значение

Среднее квадратическое отклонение

Коэффициент вариации, %

Таблица 9 – Результаты испытаний, полученные гравиметрическим методом

5.8 Лабораторная работа№ 8 Изучение структуры композиционного материала на основе

термореактивного связующего и армирующего наполнителя

Цель работы: изучить структуру КМ на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя

Структура композиционного материала включает в себя следующие элементы:

1.Матрица: это основной компонент композита, который обеспечивает связь и поддержку для других компонентов. Матрица часто состоит из полимерного материала, металла или керамики.

2.Наполнитель: это компонент, который встраивается в матрицу и придает комозиту определенные свойства, такие как прочность или жесткость. Наполнитель может быть в виде волокон, частиц или добавок, таких как стекловолокно, углеволокно, керамика или металлические частицы.

3.Интерфейс: это область, где матрица и наполнитель взаимодействуют друг с другом. Качество интерфейса может существенно влиять на свойства композита, такие как его прочность и устойчивость к разрушению.

4.Волокна: волокна могут использоваться в качестве наполнителя в композитном материале. Они обычно имеют высокую прочность и жесткость и

придают композиту улучшенные свойства. Волокна могут быть ориентированы вдоль

93

определенного направления для достижения оптимальной прочности и жесткости.

5.Добавки: это дополнительные ингредиенты, которые могут быть добавлены в композиционный материал для улучшения его свойств, таких как термическая стабильность, огнестойкость или сопротивляемость химическим воздействиям.

6.Узлы: это области композитного материала, где происходят сборка и сочленение различных компонентов. Узлы могут быть усилены, чтобы обеспечить прочность и надежность соединения.

Структура композиционного материала может быть сильно варьировать в зависимости от его конкретного применения и требований к свойствам. Композиционные материалы широко применяются в таких отраслях, как авиация, автомобилестроение, строительство, спорт и др.

Качество КМ описывают расположением наполнителя, отклонением слоев от заданной ориентации и толщиной прослойки связующего.

Ход выполнения лабораторной работы

Оборудование и материалы: пластины КМ, изготовленного в задании № 1 данной работы.

Ход работы. Изучают, описывают и зарисовывают структуру полученного материала по следующим параметрам:

-наличие непропитанных участков;

-наличие областей с избытком связующего;

-наличие пузырей и раковин;

-искривление волокон наполнителя;

-отклонение от прямолинейности волокон;

-толщина прослоек связующего.

Для непропитанных участков, областей с избытком связующего, пузырей и раковин определяют их суммарную площадь и отношение к общей площади поверхности материала. Материал считается качественным, если дефекты

94

составляют не более 5% от общей площади поверхности материала.

При определении толщин прослоек проводят исследование торцевых поверхностей под микроскопом. Толщина прослоек и распределение наполнителя должны быть равномерными, без искривлений.

Результаты исследования заносят в таблицу 10 и делают вывод о качестве полученного материала.

Таблица 10 – Результаты исследования

5.9 Лабораторная работа № 9 Композиты на основе растительных волокон

Цель работы: Изучить состав и строение композитов на основе растительных волокон

В качестве сырья при производстве полимерных композитов, наполненных волокнами растительного происхождения, наиболее часто используются различные виды измельченных отходов древесины или отходы льноперерабатывающей промышленности. При применении таких наполнителей получают достаточно дешевые композиционные материалы с высокими степенями наполнения.

Наиболее эффективным методом переработки высоконаполненных композиций на основе термопластов и волокон растительного происхождения является процесс пласт-формования. Использование данного метода позволяет значительно уменьшить время цикла получения изделий.

Недостатком изделий из высоконаполненных композиций, полученных методом пласт-формования, является плохое качество поверхности, обусловленное

95

наличием на ней частиц наполнителя, не смоченного полимером, а также возможная разнотолщинность полученных изделий.

Ход выполнения лабораторной работы

9.1 Определение относительной усадки

Оборудование и материалы: плиты изготовленные методом пласт-

формования, линейка металлическая, штангенциркуль, микроскоп.

Ход работы. При определении относительной линейной усадки размеры плиты, полученной пласт-формованием, сравнивают с размерами формы.

Измеряют линейные размеры образцов (не менее чем в трех местах) и

соответствующие размеры оформляющей части пресс-формы с точностью до 0,01

мм. Усадку в процентах рассчитывают по формуле

9.2 Определение разнотолщинности

Оборудование и материалы: плиты, изготовленные методом пласт-

формования, линейка металлическая, штангенциркуль, микроскоп.

Ход работы. Измеряют толщину отформованной пластины по периметру

где hmax – максимальная толщина пластины, мм; hi – толщина в данной точке, мм.

Полученные результаты заносят в таблицу 11 и делают вывод о наблюдаемой разнотолщинности полученных изделий.

9.3 Изучение распределения размеров частиц

Оборудование и материалы: плиты, изготовленные методом пласт-

формования, линейка металлическая, штангенциркуль, микроскоп.

Ход работы. Готовые плиты, полученные методом пласт-формования,

устанавливают на горизонтальную поверхность и проводят необходимые замеры металлической линейкой или штангенциркулем. При использовании мелкой

фракции наполнителя (менее 2 мм) замеры проводят при помощи микроскопа.

Определяют размеры – длину l и ширину h – в изделии для каждой частицы.

По результатам не менее 250 измерений каждого параметра рассчитывают параметры распределения – среднее значение, среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации. Строят гистограммы распределения и проверяют гипотезу о

соответствии распределения закону Вейбулла.

Полученные результаты заносят в таблицу 11. Делают вывод о средней длине

частиц в изделии.

Таблица 11 – Результаты испытаний

9.4 Определение распределения углов, задающих ориентацию частиц

наполнителя в пространстве

Оборудование и материалы: плиты, изготовленные методом пласт-формования,

линейка металлическая, штангенциркуль, микроскоп.

97

Жгут – в волокнистых композитных материалах – непрерывная упорядоченная группа, как правило, параллельных коллимированных непрерывных нитей, обычно нескрученных.

Изотропные КМ – материалы, имеющие одинаковые свойства во всех направлениях, т.е. при хаотическом расположении частиц.

Ионообменные смолы, или синтетические органические иониты – это нерастворимые в воде и органических растворителях высокомолекулярные полиэлектролиты, при контактировании которых с растворами электролитов происходит обмен подвижных ионов смолы на ионы электролита.

Каркасные композиты – материалы, состоящие из двух или более непрерывных фаз.

Квазиизотропные КМ – материалы, которые анизотропны в микрообъемах,

но изотропны в объеме всего изделия.

Керамика – это материал, который получается в результате спекания

порошков минеральных веществ.

Керамические композиционные материалы (ККМ) – материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических или неметаллических наполнителей.

Керметы – это гетерогенные композиции одной или нескольких керамических фаз с металлами.

Комбинированные композиты имеют признаки, дающие основания отнести их к нескольким структурным типам композиционных материалов.

Композиционные материала на полимерной матрице (КПМ) содержат полимерное связующее (матрицу), которое объединяет все компоненты материала в единую структуру и обусловливает их совместную работу в составе КПМ.

Композиционный материал или композит (КМ), – это искусственно созданный материал, состоящий из двух или более неоднородных и нерастворимых друг в друге компонентов, соединяемых между собой физико-химическими связями.

100