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
Данные исследований механических и трибологических свойств КМ
на основе политетрафторэтилеена (ПТФЭ) и простых (Al
сложных (шпинели CoAl
, MgAl2O4, кордиерит – 2MgO·2Al2O3·5SiO2)
2O4
, Cr2O3, ZrO2) и
2O3
оксидных нанопорошков приведены в табл. 3.2.
Структура КМ с добавлением оксида алюминия формируется из
надмолекулярных сферолитов того же размера, которые являются более
совершенными, чем при добавлении других оксидов. На поверхности трения плотность агломератов из наночастиц шпинелей в 3 раза выше плотности агломератов из наночастиц кордиерита. Чем выше плотность покрытия
с агломератами поверхности трения, тем вы
ше сопротивление контактным
деформациям. Композиты на основе ПТФЭ, модифицированные оксидными нанопорошками, имеют большую износостойкость, чем традиционные
антифрикционные материалы, содержащие кокс и дисульфид молибдена
в качестве наполнителя, но имеют с ними почти идентичную прочность
и пластичность.
Для очистки и дезинфекции воды были разработаны новые полимер-
ные нанокомпозиты на основе слоистых сили
катов и полиэлектролитов,
обладающих сорбционными и биоцидными свойствами. Суть синтезируемого метода заключается в химической модификации природного минерала, монтмориллонита. Модификация достигается путем создания полимерного слоя на поверхности и в межслоевом пространстве минеральной матрицы при определённых условиях.
Экспериментальные исследования показали, что гранулированные
сорбенты, которые представляют собой нанокомпозиты на основе глинистых минералов и биоцидных полиэлектролитов, имеют вс
е необходимые
технические и экономические характеристики для использования в процессах очистки природных и сточных вод. Они недороги из-за использования природного минерала, имеют высокую пропускную способность и высокий срок службы, устойчивость к микробиологическому разрушению изза содержания биоцидных полиэлектролитов.
Полимерные матричные нанокомпозиты на основе сло
истых природных и синтетических материалов легли в основу нового класса композиционных материалов – гибридных нанокомпозитов.
71
3.2.2. Гибридные и металл-неорганические нанокомпозиты
Гибридные нанокомпозиты представляют собой материалы, которые
включают частицы (рис. 3.4), как органические (молекулы, так и макромолекулы), так и неорганические материалы, диспергированные до наномасштабного уровня и образующие между собой стабильные химические связи. Такие материалы используются в качестве функциональных наноматериалов, при изготовлении датчиков, специальных типов керамики, тонкопленочных структур и оптических покрытий и характеризуются свой
ствами,
которые резко отличаются от свойств материалов, полученных с использованием чистых компонентов, входящих в их состав.
Получены эти нанокомпозиты были с использованием золь-гель технологий. Золь-гель технология получения композитных наноматериалов
основана на проведении гидролиза молекулярных химических материаловпрекурсоров, образующих при этом наноразмерные частицы, диспергированные в растворителе («золь»). Далее стимулируется поликонденсация
частиц зо
ля, при которой наноразмерные частицы образуют кластер, из которых формируется объёмная матрица, называемая «гелем» и содержащая
в своих порах молекулы растворителя. Последующее испарение растворителя позволяет получить легкое твёрдое тело с развитой внутренней поверхностью, называемое «аэрогель» или «ксерогель». Золь-гель синтез
Наночастицы металла (оксида) Молекулы полимера
Рис. 3.4. Гибридный металл-полимерный композит
72
проводится при относительно низких температурах и позволяет получать
материалы однородные по своему строению и свойствам, а также предоставляет возможность легко вводить в их состав частицы самой различной
природы. Значительная часть внутреннего объёма гелей (аэрогелей) занимают мезопоры (диаметр от 1 до 100 нм), в которых можно получить наноразмерные частицы и создать, таким образом, нанокомпозит.
Способов проведения золь-гель р
еакции несколько, например, проводят гидролиз и конденсацию в набухшей полимерной матрице. В ходе
такой реакции образуются взаимопроникающие органические и керамические сетки, которые обеспечивают уникальные механические свойства конечного композита.
Разработан также метод синтеза, при котором полимеризация и обра-
зование неорганического стекла протекают одновременн
о. В связи с этим
класс используемых мономеров расширяется, кроме того, при сушке полученного композита отсутствует заметная усадка.
Нанокомпозиты на основе полимеров и керамики объединяют в себе
свойства компонентов, входящих в их состав: гибкость, эластичность,
обрабатываемость полимеров и свойства, более характерные для стекла:
твёрдость, сопротивление износу, высокий показатель преломления. Благодаря этой комбинации многие свойства ко
мпозита улучшены по сравнению с исходными компонентами. Такие нанокомпозиты ещё не приобрели
промышленного применения. Однако в ближайшее время они найдут применение в качестве специальных защитных покрытий для неорганических
и полимерных материалов, а также световодов и оптических волокон, адгезивов, адсорбентов и новых конструкционных и строительных материалов.
Нанокомпозиты со слоистой структурой также создаются на основе
керамики и полимеров, но с использованием природных слоистых неорганических структур, таких как монтмориллонит или вермикулит, которые
встреч
~
1 нм насыщен предшественником мономера с активной концевой груп-
аются в глинистых породах. Слой монтмориллонита толщиной
пой (капролактам, бутадиен, акрилонитрил или эпоксидная смола) в ходе
реакции ионного обмена, а затем проводят полимеризацию.
73
Полимерные нанокомпозиты на основе глинистого наполнителя и
полиолефиновой матрицы представляют собой относительно новые материалы, сочетающие такие ценные качества, как улучшенные эксплуатационные свойства, экологическая чистота и относительная дешевизна производства. В настоящее время они являются объектом интенсивных фундаментальных и прикладных исследований. В своей структуре они представляют собой смесь тонких силикатных пластин толщиной около 1 нм и поперечного размера от 30 нм до нескольких микрон, помещенных в полиолефиновую матриц
у. Частицы наполнителя могут образовывать отдельные
кристаллиты (тактиды) из нескольких (около дюжины) параллельных пластин или распределяться случайным образом по объёму материала. В первом случае нанокомпозиты называются интеркалированными, во втором –
эксфолиированными.
При низкой термодинамической совместимости наполнителя и мат-
рицы молекулы по
лимера не могут проникать в пространство между слоями силиката. Материал, полученный в этом случае, представляет собой
просто механическую смесь полимера и минерала – это обычный диспергированный микрокомпозит. Несовместимость органических и неорганических компонентов является большой проблемой. Эта проблема решается
путем модификации глин органическими веществами. Модифицированная
глина приобретает свойства, благодаря которым хорошо диспергируется
в полимерной матрице и взаи
модействует с полимерными цепями.
При формировании интеркалированного нанокомпозита молекулы полимера диффундируют в пространство между близко расположенными параллельными силикатными пластинами. В результате кристаллит набухает,
но без потери порядка в расположении его слоев. Когда образуется отслоившийся нанокомпозит, молекулы полимера не только проникают в промежутки между слоями тактоида, но также распространяются до такой
степ
ени, что происходит его разрушение, а ранее параллельные силикат-
ные пластины приобретают хаотическую ориентацию в объёме матрицы.
Различные группы ученых разработали методы получения нанокомпозитов на основе органоглин. Полимерный нанокомпозит может быть получен тремя основными способами: в растворе, в расп
74
лаве и во время син-
теза полимера. Существует ещё один способ получения нанокомпозитов,
таких как золь-гель процесс. Но для получения полимерных нанокомпозитов на основе органоглин наиболее широко используемым методом является получение в расплаве и во время синтеза полимера.
Получение полимерного нанокомпозита при синтезе самого полимера состоит в интеркалировании мономера в глинистые слои. Мономер мигрирует через пустоты орган
оглины, и полимеризация происходит внутри
слоев. Реакцию полимеризации можно инициировать нагреванием, излучением или подходящим инициатором.
Свойства нанокомпозитов, в зависимости от содержания и природы
органоглины, также изучались в работах, посвященных получению полимерных нанокомпозитов. При изучении свойств полученных нанокомпозитов особое внимание было уделено изучению распределения органоглины
в матрице, морфологии, тепловых и механических свойст
в.
Изучение распределения органоглины в нанокомпозите (полимерной
матрице) имеет большое значение, поскольку свойства многих полученных
композитов напрямую зависят от степени распределения и дисперсности
наполнителя.
Слоистые наноматериалы также получают различными способами
физического осаждения из газовой фазы (PVD) и химического осаждения
из паровой фазы (CVD), электроосаждения, многократной прокатки и других методов. Многослойный наноламинат Mo-W, полученный методом
CVD, имел толщину 50 мкм и состоял из сло
ев молибдена и вольфрама
толщиной 4 нм. Твёрдость и прочность на разрыв этого материала в 15 раз
выше, чем у сплава соответствующей композиции. Многократное повторение цикла вакуумной диффузионной сварки и прессования приводит
к образованию наноламинатов Fe-Ag и Fe-Cu с толщиной слоя 20 нм.
3.2.3. Функциональные на
нокомпозиты
Наиболее известные группы функциональных композитов включают
композиты со специальными электрическими, магнитными и оптическими
свойствами. Типичным примером композитов, для которых электрические
75
свойства имеют решающее значение, являются дисперсоиды, перенос
ионов которых протекает по межфазным границам матрицы и наполнителя.
Функциональные нанокомпозиты также являются многими современными высокотемпературными сверхпроводящими материалами, в которых увеличение критического тока достигается за счёт введения в них
других фаз для создания дополнительных центров пиннинга. Реализация
эффектов гигантского и туннельного магнитосопротивл
ения и устройств
на их основе возможна только при наличии многофазных структур –
магнитных нанокомпозитов.
Важной особенностью многих функциональных композитов является
способность реализовать в них производственные свойства. Примером
может служить комбинация магнитострикции фазы А и пьезоэлектричества фазы В – «магнитоэлектрический» эффект в композите.
Функциональные композиты включают много фотонных кристаллов,
в которых и матрица, и наполнитель являются твёрдыми фазами; примером таког
о композита являются опаловые и опалоподобные структуры.
Функциональные композиты включают в себя множество биоматериалов, в которых основные функциональные компоненты защищены
от взаимодействия с окружающей средой организма с помощью биосовместимых покрытий.
Сплавы и полимеры с памятью формы деформируются, а затем восстан
авливают свою форму при изменении температуры или магнитного
поля.
PH-чувствительные полимеры набухают, разрушаются или изменяют
какую-то свою характеристику при изменении кислотности окружающей
среды.
Термочувствительные полимеры изменяют свои свойства при изменении температуры окружающей среды.
Галохромные, электрохромные, термохромные, фотохромные материалы меняют цвет (пропускание) при изменении кислотности среды, приложенном напряжении элект
рического поля, температуре среды, световом
облучении.
76
Ненутоновские жидкости изменяют свою вязкость до потери текуче-
сти при изменении значения приложенной скорости сдвига.
Контрольные вопросы к разделу
1. Композиты и их структура.
2. Классификация композиционных материалов по геометрии.
3. Композиционные материалы: изотропные и ориентированные.
4. Межфазное взаимодействие в композитах.
5. Нанокомпозит и его структура.
6. Распределение механических напряжений в пространстве вокруг
дисперсного наполнителя.
7. Структура и свойства полимерных матричных нанокомпозитов.
8. Металлополимерная структура, свойства и слабые стороны.
9. Структура и свойства гибридных и металл-нео
композитов, слабые и сильные стороны.
10. Структура и свойства функциональных полимерных нанокомпо-
зитов, области применения.
рганических нано-
77
4. ПРАКТИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА
4.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цели и задачи: определить прочностные характеристики наномоди-
фицированных полимерных материалов.
Приборы:
• универсальная машина Testometric 500;
• штангенциркуль.
Материалы: термо- и реактопласты, резины и нанонаполнители.
Методические указания
Прочность – способность материала противостоять разрушению –
можно оценить несколькими способами:
а) допускаемыми напряжениями;
б) запасом прочности;
в) статистическим запасом прочности.
Широко используемым методом является расчёт допустимых напряжений, согласно которому максимальное напряжение σ
в некоторой
max
точке нагруженного образца не должно превышать определенного значения, присущего этому материалу и этой геометрии.
Условием прочности детали в соответствии с допустимым напряжением является:
σ
≤ [σ], (4.1)
max
где [σ] – допускаемое напряжение.
Такой вид оценки очень удобен, поэтому на практике разработана
система допустимых напряжений для того же типа конструкционных элементов (компонентов), установленной технологии их изготовления и стабильных условий нагрузки, обобщая предыдущий опыт работы машин,
устройства и устройства для различных целей.
78
Однако такая оценка прочности имеет свои недостатки:
σ
σ
1) величина допустимого напряжения является условной, поскольку
она не отражает характер предполагаемого разрушения, режим нагрузки и
другие факторы, влияющие на надёжность;
2) допустимое напряжение, особенно при переменной нагрузке, зависит от геометрии детали, материала, технологии изготовления, что затрудняет его использование в качестве нормативной характеристики;
3) величин
а [σ] не даёт представления о надёжности детали в явном
виде, так как в формуле (4.1) не показано соотношение действующих и
предельных напряжений для материала детали (предела текучести σ
дела прочности σ
, предела выносливости σв и др.).
пред
, пре-
т
В инженерии допустимые напряжения используются в основном для
предварительных расчётов, связанных с приближенным определением основных размеров деталей.
Распределение получил расчёт по запасам прочности. Условие прочности в этом случае связано зависимостью
пред
где n – запас прочности; σ
=n
σ
– предельное напряжение (предел прочности
пред
, (4.2)
max
при статических нагрузках, предел выносливости при переменных нагрузках); σ
– максимальное напряжение в опасной точке детали, рассчитан-
max
ное при максимальной нагрузке.
Значение σ
отражает геометрию детали, технологию изготовления
пред
и условия нагружения, следовательно, величина требуемого прочностного
запаса имеет определённое значение.
Условия прочности для допустимых напряжений и запаса прочности
связаны следующим соотношением:
пред
][
=σ
. (4.3)
n
Под действием статических нагрузок иногда используется запас
прочности несущей способности:
79
F
F
разр
= , (4.4)
n
показывающее отношение нагрузок во время разрушения и в условиях
эксплуатации.
В описанных методах оценки прочности имеют детерминированный
характер и не учитывают неизбежное рассеяние разрушающих и максимальных напряжений.
Статистические запасы прочности являются более достоверными характеристиками прочности, особенно для отказов конструкций с ответственными элементами.
Предел выносливости определяют экспериментально на некоторой
7
тестовой базе (обычно 10
циклов). Разброс характеристик усталостной со-
противляемости деталей обусловлен нестабильностью механических
свойств металла даже в пределах одной серии деталей, изготовленных
из одного материала, отклонениями в режиме термообработки, отклонениями размеров частей в пределах допусков, микроскопическими дефектами, связанными с гетерогенной структурой материала.
Поскольку разрушающее и действующее напряжения являются случайными величинами, то и запас прочности конкретной детали я
случайной величиной с функцией распределения
)(nF .
вляется
Статистические запасы прочности, как и обычные запасы прочности,
имеют условную ценность. Они используются в качестве критериев для
сравнения надежности вновь созданных продуктов с продуктами, которые
эксплуатируются.
Основное преимущество статистических запасов прочности перед
детерминистскими (обычными) запасами состоит в том, что сопоставление
приводится к одинаковым условиям по рассеянию значений σ
разр
и σ
max
(по
объёму используемой информации).
Перед испытаниями образцы тщательно осматривают. Образцы
должны иметь гладкую, ровную поверхность, без вздутий, сколов, трещин,
раковин и других видимых дефектов.
80