Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:От композитов к нанокомпозитам (классификация, особенности, технология получения, применение и свойства). Учебное пособие.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
А. Н. БЛОХИН, А. Е. БУРАКОВ, И. В. БУРАКОВА,
А. Е. КУЧЕРОВА, В. П. ТАРОВ, Т. В. ПАСЬКО
ОТ КОМПОЗИТОВ К НАНОКОМПОЗИТАМ
(классификация, особенности, технология получения,
применение и свойства)
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для студентов 1 – 4 курсов
направлений: 15.03.02 «Технологические машины и оборудование»,
27.03.05 «Инноватика», 28.03.02 «Наноинженерия»
очной и очно-заочной форм обучения
Учебное электронное издание
Тамбов
Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2018
1
УДК 67+539.4+620.3
ББК (Ж/О)30.3
О-83
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор кафедры
«Системы автоматизированной поддержки принятия решений»
ФГБОУ ВО «ТГТУ»
Ю. В. Литовка
Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры ТЭФ,
ведущий специалист НИИ Нанотехнологии и наноматериалы
ФГБОУ ВО «ТГУ имени Г. Р. Державина»
А. В. Шуклинов
О-83 От композитов к нанокомпозитам (классификация, особенно-
сти, технология получения, применение и свойства) [Электронный
ресурс] : учебное пособие / А. Н. Блохин, А. Е. Бураков, И. В. Буракова, А. Е. Кучерова, В. П. Таров, Т. В. Пасько. – Тамбов : Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2018. – 1 электрон. опт. диск
(CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ;
CD-ROM-дисковод ; 25,8 Mb ; RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. –
Загл. с экрана.
ISBN 978-5-8265-1969-1
Приведены основные понятия и определения, относящиеся к композитам
и нанокомпозитам, а также представлена подробная классификация матриц,
на основе которых их изготавливают, наполнителей, способов получения
как исходных материалов, так и конечного продукта. Содержатся данные,
посвящённые свойствам всех перечисленных материалов. Включены лабораторные работы, направленные на знакомство студентов с экспериментальными
и теоретическими
композитов, закрепление знаний о применении новых материалов.
Предназначено для студентов 1 – 4 курсов направлений 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 27.03.05 «Инноватика», 28.03.02 «Наноинженерия» очной и очно-заочной форм обучения.
аспектами определения прочностных характеристик нано-
УДК 67+539.4+620.3
ББК (Ж/О)30.3
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
ISBN 978-5-8265-1969-1
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2018
1
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………. 5
Основные понятия и определения ……………………………………..... 9
1. МАТРИЦЫ (СВЯЗУЮЩИЕ) …………………………………………… 11
1.1. Полимерные ………………………………………………………… 11
1.1.1. Общие характеристики ……………………………………… 11
1.1.2. Физико-механические свойства полимеров ………………... 14
1.2. Ненасыщенные полиэфирные смолы ……………………………... 17
1.2.1. Типы ненасыщенных полиэфирных смол ………………… 19
1.2.2. Основные технологии производства полиэфирных смол
и изделий из них ……………………………………………... 20
1.2.3. Способы получения изделий из ненасыщенных
полиэфирных смол …………………………………………... 22
1.2.4. Свойства отверждённых полиэфирных смол ……………… 24
1.3. Смолы, используемые при производстве композитов ……………
26
1.3.1. Смолы на основе диэфиров винилкарбоновых кислот ……. 26
1.3.2. Полибутадиеновые смолы …………………………………... 27
1.3.3. Эпоксидные смолы …………………………………………... 28
1.3.4. Термостойкие смолы ………………………………………… 31
1.4. Металлические матрицы …………………………………………… 33
1.4.1. Основы технологии изготовления ………………………….. 35
1.4.2. Основные типы металлических матриц ……………………. 38
1.4.3. Свойства металлокомпозитов ………………………………. 41
Контрольные вопросы к разделу …………………………………………... 42
2. НАПОЛНИТЕЛИ ……………………………………………………........ 43
2.1. Волокнистые наполнитнли………………………………………… 43
2.1.1. Углеволокна ………………………………………………….. 44
2.1.2. Волокна бора ………………………………………………… 46
2.1.3. Волокна карбида кремния ..…………………………………. 47
2.1.4. Волокна карбида кремния–II ………………………………. 48
2.1.5. Оксидные волокна …………………………………………… 49
2.1.6. Оксидные волокна–II ………………………………………..
49
3
2.2. Нановолокна …...……………………………………………………. 50
2.2.1. Металлические, оксидные и гидроксидные нанотрубки ….. 50
2.2.2. Углеродные нанотрубки …………………………………….. 50
2.3. Дисперсные наполнители ………………………………………….. 54
2.3.1. Нанодисперсные наполнители ……………………………… 56
Контрольные вопросы к разделу …………………………………….……. 57
3. КОМПОЗИТЫ И НАНОКОМПОЗИТЫ ……………………………….. 58
3.1. Композиты ………………………………………………………….. 58
3.1.1. Межфазное взаимодействие ………………………………… 61
3.2. Нанокомпозиты …………………………………………………….. 64
3.2.1. Полимерматричные нанокомпозиты ……………………….. 66
3.2.2. Гибридные и металл-неорганические нанокомпозиты ……. 72
3.2.3. Функциональные нанокомпозиты ………………………….. 75
Контрольные вопросы к разделу …………………………………………... 77
4. ПРАКТИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА …………………………….. 78
4.1. Определение прочностных характеристик
наномодифицированных полимерных материалов ………………
78
Контрольные вопросы ……………………………………………………… 84
4.2. Определение предела прочности и модуля упругости при сжатии 84
Контрольные вопросы ……………………………………………………… 87
4.3. Определение предела прочности и модуля упругости при изгибе 87
Контрольные вопросы ……………………………………………………… 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………….. 91
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ …………………………… 92
4
ВВЕДЕНИЕ
Композиционный материал (КМ) – двух- и более составной материал
(состоящий из дискретных элементов и соединяющей их матрицы), обла-
дающий определёнными свойствами, отличными от свойств, составляющих их компонентов. Дискретные наполнители могут выполнять пассивную роль – служить в качестве наполнителя или активно использоваться
в качестве армирующих (упрочняющих) элементов. Инертные наполнители часто используются для уменьшен
ия стоимости композита, уменьшая
расход связующего. Активные наполнители используются для изменения
механических или функциональных свойств (прочность, цвет, электро- и
теплопроводность, придание радиопоглащающих или радиопрозрачных
свойств).
Появление нанокомпозитов было весьма логичной эволюцией обычных композиционных материалов, которые широко применяются и по настоящее время.
Нанокомпозиты (НК) – это материалы, полученные при введен
ии
наноразмерных частиц (наполнителей) в структурообразующую твёрдую
или пластичную фазу (матрицу). Одним из отличительных признаков
обычных композиционных материалов от нанокомпозитов является значительно более развитая (на порядок и выше) удельная поверхность частиц
наполнителя, которая играет очень важную роль в процессах взаимодействия между матрицей и наполнителем. Поэтому свойства нанокомпозитов в
гораздо большей степени по сравнен
ию с обычными композиционными
материалами зависят от морфологии частиц наполнителя и характера
взаимодействия компонентов на границе раздела фаз. Основное требование к нанонаполнителям – частицы должны иметь по крайней мере один
значительный геометрический размер (длина, ширина или толщина), лежащий в нанометровом диапазоне (10…100 нм). Так же и сама матрица
может иметь наноразмерную структуру. Но это было бы невозможным без
появления в прошлом столетии наноструктурированных борн
ых и угле-
5
графитовых волокон, последовавших за работой C. P Talley в США и усилиями команды W. Watt, W. Johnson, L. N. Phillips, работавшей в Фарнборо. В дальнейшем своём развитии конструкционные композиты
всё больше поглощали наноструктурированные компоненты, внедряясь
и в границу раздела, и в матрицу.
Композиты зачастую встречаются в природе, где можно найти множество примеров использования их в качестве конструкционных и функциональных материалов, из которых «построены» живые организмы, которые обеспечивают решение целого ряда механических и функциональных
свойств. Стебли р
астений, древесина, кости, кожа и морские ракушки –
одни из самых распространённых примеров композитов. Даже биологические клетки, применяемые в качестве конструкционных и функциональных
материалов, попадают под определение нанокомпозит. Как правило, материалы, со
зданные природой, превосходят по своим качественным характеристикам те, что созданы человеком искусственно. Удельные свойства
этих материалов, например, отношение предела прочности к плотности σ
/ρ или отношение модуля упругости к плотности E/ρ значительно
в
лучше созданных руками человека. Однако удельные качества искусственных композитов оказываются лучше аналогичных свойств природных материалов.
При разработке и изготовлении новых композиционных и нанокомпозиционных материалов (НК) и конструкций из них приходится особое
внимание уделять влиянию внешних условий (температура, влажность,
давление и др.) на механические характеристики этих материалов. Композиты обладают рядом спец
ифических свойств, которые мало характерны
для традиционных конструкционных материалов, например, многие обладают значительной ползучестью.
Основной целью создания НК и КМ является объединение схожих
или различных компонентов для получения материала с новыми и, что
особенно важно, заданными свойствами и характеристиками, отличными
от свойств и характеристик исходных компонентов. Появление КМ сделало возможным целенаправленный от
6
бор материалов, обладающих необхо-
димыми свойствами для каждой конкретной области применения. А области применения композитов и нанокомпозитов простираются от изготовления игрушек до изготовления элементов космических аппаратов и протезов.
Выбор компонентов при изготовлении конкретного материала зависит от многих факторов. Помимо прочностных характеристик и совместимости компонентов значительную роль играют стоимость их производства,
экологическая безо
пасность, а особенно, так как мы говорим о наномире,
доступность соответствующих технологий. Композиты находят применение как заменители традиционных конструкционных материалов (конкурируя с ними по уровню своих механических свойств), так и в качестве
специально создаваемых функциональных материалов, обладающих некоторыми специальными свойствами, ради которых они и создавались, –
теплозащитные, радиопрозрачные, антикорроз
ионные, электроизоляцион-
ные и т.п.
Композиты на полимерной основе преобладают в общем объёме
производства. Наиболее распространённые полимерные матрицы: полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды, силиконы, алкиды, меламины,
полиамиды, фторуглеродные соединения, полипропилен, полиэтилен, полистирол и т.п. Связующие часто делят на термопласты (способные размягчаться и затвердевать при изменении температуры) и реактопласты или
термореактивные смолы (в которых пр
и нагревании и (или) в присутствии
отвердителя происходят необратимые структурные и химические превращения). Наибольшее распространение в качестве матрицы получили термореактивные связующие. Все эти вопросы более подробно рассмотрены
в настоящем пособии.
Лабораторные работы, представленные в пособии, имеют своей це-
лью углубление знаний теоретического матер
иала, овладение современными методиками исследования функциональных и прочностных свойств
композитов и нанокомпозитов, используемых в качестве конструкционных
и функциональных материалов, а также освоение методов обработки
экспериментальных данных.
7
Учебное пособие предназначено для студентов 1 – 4 курсов направления 28.03.02 «Наноинженерия», 27.03.05 «Инноватика», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» очной и очно-заочной формы обучения. Пособие направлено на формирование следующих компонентов
компетенций: способность к самоорганизации и самообразованию (ОК-7);
способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и эксп
ериментального исследования (ОПК-1); владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации (ОПК-3); способность в составе коллектива участвовать в
разработке макетов изделий и их модулей, разрабатывать программные
средства, применять контрольно-измерительную аппаратуру для определения технических характеристик макетов (ПК-1); способность в составе
коллектива исполнителей участвовать в проведении расчётных работ
(по существующим методикам) при проектировании нанообъектов и формируемы
х на их основе изделий (включая электронные, механические, оптические (ПК-6); способность участвовать в работе над инновационными
проектами, используя базовые методы исследовательской деятельности
(ПК-4); способность представлять современную картину мира на основе
целостности системы знаний о ноосфере (ФК-2); способность использовать
методы расч
ётов элементов технологического оборудования, используемого при производстве наноматериалов и изделий из них (ПКВ-8); способность использовать в профессиональной деятельности знания о современном теоретическом и экспериментальном материаловедении и принципах
дизайна материалов с заданными свойствами (ПКВ-10); готовность в составе коллектива исполнителей участвовать в работах по производству и
контролю качества (технический цикл) нанообъектов и изделий на их
основе (ПК-12); готовность в состав
е коллектива исполнителей участвовать в проведении сертификационных испытаний изделий на основе нанообъектов (ПК-13); способность принимать участие в работах по расчёту и
проектированию деталей и узлов машин и механизмов наноиндустрии
в соответствии с техническими заданиями (ПКВ-13).
8
Основные понятия и определения
Наноструктурированные композиты (Nanostructured composites)
представляют собой материалы, в которых наноразмерные частицы наполнителя в небольшом количестве вводят в расплав или материал матрицы
(металл или полимер), за счёт чего при охлаждении расплава происходит
формирование структуры, отличной от структуры чистого материала матрицы. Наиболее распространённым эффектом является значительное увеличение механической прочности полученного нанокомпозита, однако в
ряде слу
чаев наноструктурирование приводит к достижению высоких
функциональных свойств. Эффект наноструктурирования чаще возникает
при использовании наночастиц, имеющих протяжённую и сложную по
геометрии форму (нанотрубки, нановолокна, графеновые пластинки и др.),
а следовательно, – более развитую поверхность. Содержание наноразмерного наполнителя в наноструктурированных материалах обычно составляет не более 5 масс. %.
Нанотехнология – совокупность мето
дов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать
объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие
принципиально новые качества и позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба.
Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы,
геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно нов
ыми свойствами, функцио-
нальными и эксплуатационными характеристиками.
Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими
характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, появляющихся в виде квантоворазмерных, синергетически-кооперативных эффектов и других явлений и
процессов.
Нанодиагностика – совокупность специальных методов исследований, направленных на изучение структурных, морфолого-топологических,
9
механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.
Нанотехника – машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-экономическими параметрами и функциональными возмо
жностями.
При плавном уменьшении размеров образца от больших (макроскопических) значений до маленьких свойства меняются. Если размеры образца в
одном измерении лежат в нанометровом диапазоне, а в двух других остаются большими, то получившаяся структура называется квантовой ямой.
10