Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физикохимия неорганических композиционных материалов. Учебное пособие.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
ФИЗИКОХИМИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2016
1
УКД 621.2+66.02
ББК 35.20
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. Р. Т. Ахметова
канд. техн. наук А. С. Арутюнян
ISBN 978-5-7882-2085-7
©
Хацринов А. И., Хацринова Ю. А.,
Сулейманова А. З., Хацринова О. Ю., 2016
©
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2016
Авторы: А. И. Хацринов, Ю. А. Хацринова,
А. З. Сулейманова, О. Ю. Хацринова
Физикохимия неорганических композиционных материалов :
учебное пособие / А. И. Хацринов [и др.]; Минобрнауки России,
Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ,
2016. – 116 с.
ISBN 978-5-7882-2085-7
Рассмотрены определение, классификация, теории упрочнения
неорганических композиционных материалов и методы их испытаний.
Изложены точки зрения различных авторов на механизм упрочнения
композиционных материалов.
Предназначено для бакалавров, магистров и аспирантов,
занимающихся изучением неорганических композиционных
материалов.
Подготовлено на кафедре технологии неорганических веществ и
материалов.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического
университета
2
ВВЕДЕНИЕ
Уважаемый магистр. Вашему вниманию предлагается учебное
пособие по дисциплине «Физикохимия неорганических
композиционных материалов» для самостоятельной работы.
Теоретический материал представляет собой научные разработки в этой
области за последние 5 лет, включая исследования авторов пособия,
патенты, статьи отечественных и зарубежных авторов. Представлены
точки зрения двух научных школ: российской и американской.
Целями учебного пособия являются:
а) формирование знаний о композиционных материалах;
б) обучение технологии получения неорганических
композиционных материалов;
в) обучение способам применения знаний о строении,
свойствах и механизмах упрочнения композиционных материалов,
г) раскрытие сущности процессов, происходящих при создании
и упрочнении неорганических композиционных материалов.
После работы с пособием у Вас должны быть сформированы,
согласно ФГОС по направлению 240100 «Химическая технология»
(квалификация магистр) следующие компетенции:
ОК-1 ‒ способность и готовность совершенствовать и
развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень, получать
знания в области современных проблем науки, техники и технологии;
ОК-2 ‒ способность и готовность к профессиональному росту,
самостоятельному обучению новым методам исследования, изменению
научного и научно-производственного профиля своей
профессиональной деятельности;
ОК-6 ‒ самостоятельно приобретать с помощью
информационных технологий и использовать в практической
деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях
знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности;
ПК-2 ‒ использование методов математического
моделирования материалов и технологических процессов,
теоретический анализ и экспериментальная проверка теоретических
гипотез;
ПК-6 ‒ владение знаниями в области химии и технологии
силикатных наносистем, наноструктур, композиционных материалов и
покрытий;
3
ПК-7 ‒ понимание сущности явлений, происходящих в
результате целенаправленного воздействия частиц нанопорядка на
свойства материалов и процессы с их участием;
ПК-10 ‒ владение умением использовать на практике
современные физические и химические методы исследований
композиционных наноматериалов и покрытий;
ПК-14 ‒ владение навыками поиска, анализа и интерпретации
научных знаний в области технологии композиционных материалов и
покрытий с нанодисперсной фазой;
ПК-15 ‒ анализ и систематизация научно-технической
информации по теме исследования;
ПК-16 ‒ использование современных приборов и методик,
организация проведения испытаний.
В результате работы с пособием магистр должен:
1) знать:
а) классификацию физикохимии неорганических
композиционных материалов, равновесный и коррозионный потенциал,
стадии технологического процесса и т.д.;
б) основные физико-химические процессы, лежащие в основе
производства композиционных материалов;
в) основные технологические способы применения
композиционных материалов в промышленности;
г) основные химические объекты, принципы их устройства и
режим функционирования в зависимости от назначения;
е) применяемые в промышленности основные составы
композиционных материалов;
д) методы исследования композиционных материалов;
2) уметь:
а) проводить технологическое проектирование процессов
композиционной обработки металлов;
б) составлять технологические схемы, включающие
функциональные объекты, соединения катализаторов;
в) использовать методы исследования и разработки
технологического режима, состава композиционных соединений для
получения промышленных образов с необходимыми функциональными
свойствами;
г) использовать методы оценки характеристик промышленных
композиционных материалов;
4
3) владеть:
Уровень
Характеристика
Баллы
1 2 3
Низкий
У магистра отсутствуют знания теоретических
исследовательскую деятельность.
0-40
а) методиками проведения технологических исследований и
измерений основных параметров процесса и характеристик получаемого
и/или исследуемого объекта (материала), а также современными
методами обработки экспериментальных данных;
б) навыками поиска информации по отдельным объектам
исследования в периодической литературе, в глобальных
компьютерных сетях, оценки и обработки полученной информации.
Критериально-уровневая шкала для определения готовности к
научной, производственной деятельности магистра
основ химической технологии; основного
учебно-программного материала в объеме,
необходимом для дальнейшей учебы и
предстоящей работы по профессии; он не
справляется с выполнением заданий,
предусмотренных программой, не знаком с
основной литературой, рекомендованной
программой по дисциплине, допускает
погрешности в ответе и при выполнении
заданий; не знает методов, способов и средств
получения веществ и материалов с помощью
физических, физико-химических и химических
процессов; знает методы и приборы
определения состава и свойств
композиционных веществ и материалов; знает
материалы, изделия, а также системы
управления ими и регулирования; знаком с
оборудованием, технологическим процессом и
промышленной системой получения
композитов; методы и средства оценки
состояния окружающей среды и защиты ее от
влияния промышленного производства,
контролирует и соблюдает технологическую
дисциплину; умеет проверять техническое
состояние и остаточные ресурсы
оборудования; умеет организовать научно-
баллов
5
Продолжение таблицы
1 2 3
Средний
Студент удовлетворительно знает
теоретические и практические основы
деятельность.
40-60
Выше
Магистр хорошо усвоил теоретические и
исследовательскую деятельность.
60-80
химической технологии композиционных
материалов; методы, способы и средства
получения веществ и материалов с помощью
физических, и химических процессов; методы
и приборы определения состава и свойств
веществ; материалы, изделия, а также системы
управления ими и регулирования; плохо
знаком с оборудованием, технологическим
процессом и промышленной системой
получения композитов; методами и средствами
оценки состояния окружающей среды и
защиты ее от влияния промышленного
производства; не полно соблюдает
технологическую дисциплину; у него
отсутствуют умения проверять техническое
состояние и остаточные ресурсы
оборудования; не достаточно умеет
организовать научно-исследовательскую
баллов
среднего
практические основы химической технологии;
методы, способы и средства получения
веществ и материалов с помощью физических,
и химических процессов, производство на их
основе композитов; методы и приборы
определения состава и свойств веществ и
материалов; в достаточной мере знает
материалы, изделия, а также системы
управления ими; знаком с оборудованием,
технологическим процессом и промышленной
системой получения композитов; методами и
средствами оценки состояния окружающей
среды и защиты ее от влияния промышленного
производства, соблюдает технологическую
дисциплину; умеет проверять техническое
состояние и остаточные ресурсы
оборудования; умеет организовать научно-
баллов
6
Окончание таблицы
1 2 3
Высокий
Магистр отлично знает теоретические и
практические основы химической технологии;
исследовательскую деятельность.
80-100
методы, способы и средства получения веществ
и материалов с помощью физических, физикохимических и химических процессов,
производство на их основе композитов; методы
и приборы определения состава и свойств
веществ и материалов; знает материалы,
изделия, а также системы управления ими и
регулирования; знаком с оборудованием,
технологическим процессом и промышленной
системой получения композитов; методами и
средствами оценки состояния окружающей
среды и защиты ее от влияния промышленного
производства; контролирует и соблюдает
технологическую дисциплину; умеет проверять
техническое состояние и остаточные ресурсы
оборудования; умеет организовать научно-
Учебное пособие состоит из разделов, каждый из которых
заканчивается контрольными вопросами и комплексными задачами.
После работы с пособием, ответов на поставленные вопросы,
выполнения тестовых заданий (см. приложение) можно определить
уровень усвоения по дисциплине. Это представлено в таблице.
В добрый путь!
баллов
7
1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Композиционные материалы (КМ) представляют собой
гетерофазные системы, полученные из двух или более компонентов с
сохранением индивидуальности каждого из них. В настоящее время не
существует общепринятого определения «композиционный
материал». Наиболее полным является определение, предложенное в
справочнике по композиционным материалам /1/. В соответствии с
ним композиционными называются материалы, обладающие
следующей совокупностью признаков:
‒ состав, форма и распределение компонентов в
материале известны заранее;
‒ материал создан человеком и не встречается в природе;
‒ материал состоит из двух или более компонентов,
различающихся по своему химическому составу и разделенных в
материале границей (границей раздела фаз);
‒ свойства материала определяются каждым из его
компонентов, которые в связи с этим должны присутствовать в
материале в достаточно больших количествах, то есть не в виде
примесей;
‒ материал обладает такими свойствами, которые не
имеют его компоненты, взятые в отдельности;
‒ материал является неоднородным в микромасштабе и
однородным в макромасштабе.
При проверке является ли материал композиционным, нужно
проверить его на соответствие всем шести признакам. Если материал
соответствует всем признакам – он композиционный, если не
соответствует хотя бы одному, то – нет. Например, древесностружечная плита является типичным композиционным материалом, а
лакокрасочное покрытие – нет.
Последний признак предполагает тот факт, что произвольно
выбранные элементарные образцы произвольно композиционных
материалов, то есть такие образцы, все размеры которых существенно
превышают минимальные размеры компонентов материала, должны
иметь в среднем один и тот же химический состав. Таким образом,
композиционные материалы характеризуются «повторяющейся»
8
геометрией или равномерным распределением компонентов по
отношению друг к другу. Этот признак позволяет исключить из класса
композиционных материалов биметаллы, детали с покрытиями,
сотовые изделия и т.п., являющиеся скорее конструкциями, чем
материалами. Этот же признак позволяет уточнить понятие
элементарного образца композиционного материала – такого
минимального объема материала, который характеризуется всем
комплексом определяющих его признаков. В самом общем случае
элементарный образец композиционного материала должен иметь все
три размера, существенно превышающие минимальный размер
компонентов. С этих позиций такие объекты, как моноволокно,
окруженное достаточным количеством второго компонента, или
монослой из волокон, объединенных вторым компонентом, не
являются элементарными образцами композиционного материала.
Реальное механическое поведение микрообразцов в виде
волокон с покрытием или монолент при различных видах нагружения
существенно отличается от механического поведения элементарных
или более крупных образцов композиции, характерной чертой
которых является равномерное распределение нагрузки на более
прочном и жестком компоненте и торможение развития разрушающей
трещины на внутренних поверхностях разделяя. Для микрообразцов
материала, представляющих собой элементарную ячейку
композиционного материла или их простую совокупность, в полной
мере не выполняется условие 5.
В большинстве случаев компоненты композиции различаются
по геометрическому признаку: так один из компонентов может быть
непрерывным по всему объему композиции или в объеме,
существенно превышающем объем минимальных составляющих
второго компонента. В этом случае непрерывный компонент
называется матричным, а компонент, являющийся прерывистым,
разъединенным в объеме композиционного материала, следует
называть армирующим (смысл термина «армирующий» расширятся в
этом случае до «введенный в материал с целью изменения его
свойств», а не только «упрочняющий», как его обычно понимают).
Деление компонентов композиции на матричный или армирующий не
имеет смысла, если оба компонента равнозначны по геометрическому
признаку (волокнистые или дисперсно-упрочненные композиционные
материалы).
9
В большинстве случаев компоненты композиции различаются
по геометрическому признаку. Один из компонентов, обладающий
непрерывностью по всему объему, является матрицей; компонент
прерывный, разделенный в объеме композиции, считается
усиливающим или армирующим. Матрицами могут служить металлы
и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и
др. Усиливающими или армирующими элементами чаще всего
являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или
волокнистые материалы различной природы.
В зависимости от вида армирующего компонента
композиционные материалы могут быть разделены на две основные
группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются
структурой (внутренним строением) и механизмами образования
высокой прочности.
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы
представляют собой материал, в матрице которого равномерно
распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких
материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в
которой с помощью практически не растворяющихся в ней частиц
второй фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся
пластической деформации.
Вязкий нехрупкий материал перед разрушением претерпевает
значительную деформацию. Причем пластические деформации в
реальных кристаллических материалах начинаются при напряжениях,
которые меньше чем теоретически рассчитанные для идеальных
материалов ~ в 1000 раз. Такая низкая прочность по сравнению с
теоретической объясняется тем, что в пластической деформации
активно участвуют дислокации – локальные искажения
кристаллической решетки. При деформировании благодаря
дислокациям сдвиг атомов в соседнее положение происходит не
одновременно по всей поверхности скольжения, а растягивается во
времени. Такое постепенное скольжение за счет небольших смещений
атомов в области дислокации не требует значительных напряжений,
что и проявляется при испытаниях пластичных материалов.
Упрочнение таких материалов заключается в создании в них
структуры, затрудняющей движение дислокаций. Наиболее сильное
торможение передвижению дислокаций создают дисперсные частицы
второй фазы, характеризующиеся высокой прочностью и
10