ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИМЕРНЫХ композиционных МАТЕРИАЛОВ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
Существует много определений понятия композиционные материалы. В качестве примера приведем определение, как нам кажется, наиболее полно выражающее суть его физикохимии и механики.
Ком позиг{ ионные материалы — материалы, представляющие собой гетерофазные системы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента. КМ является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе, компоненты различаются по свойствам и между ними существует граница раздела. Свойства КМ определяются свойствами компонентов и уровнем их взаимодействия, механизмом деформации.
В большинстве случаев компоненты композиции различны по геометрическому признаку. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей, компонент, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим, или армирующим.
Композиционные материалы могут классифицироваться по виду их компонентов, как армирующего, так и матричного материала, назначению и структуре.
По армирующим наполнителям различают два вида композитов: волокнистые и дисперсно-наполненные.
В свою очередь, волокнистые композиты подразделяются на два класса, существенно различающихся как по свойствам, так и по технологии получения: армированные непрерывными волокнами; армированные дискретными волокнами.
Композиты, наполненные непрерывными волокнами, могут различаться по виду текстильной формы наполнителя (жгуты, нити, ленты, ткани, маты).
Исходя из химической природы волокнистого наполнителя, различают: стекчопластикщ боропластики, органопластики и т.д. Пластики, армированные углеродным волокном, имеют в отечественной литературе, по крайней мере, три определения -угчеродопласты, карботасты и углепластики. Если до 80-х годов прошлого столетия шли споры, какое название - углеродопласты или карбопласты - более точно определяет суть композита, а углепластики рассматривались как сленг (ведь уголь не имеет отношения к таким пластикам), в настоящее время это самое распространенное определение [1—3].
Дисперсно-наполненные КМ (иногда их просто называют наполненными) подразделяют на насыпные, где армирующие компоненты могут быть в виде порошков, микросфер, кристаллов и «усов» из органических, неорганических материалов, керамики, графита, и газонаполненные (поро- и пенопласты), где воздушные включения образуются в результате химических реакций, проводимых в определенных условиях.
Если наполнитель упрочняет композицию, то такие КМ называются дисперсно-упрочненными.
По типу матричного материала наиболее известными являются полимерные композиционные материалы (ПКМ). Это самая большая группа КМ, которую делят на две подгруппы: реактопласты и термо-пчасты. К другим наиболее известным типам КМ относят металлоком-позиты, керамические и углерод-углеродные материалы.
В большинстве случаев КМ, армированные непрерывными волокнами, имеют анизотропию свойств, когда армирующий наполнитель находится в объеме матрицы в строго определенном направлении. Простейший случай - однонаправленные композиты (все волокна располагаются параллельно оси армирования). Для КМ конструкционного назначения чаще встречаются более сложные схемы армирования. Такие схемы имеют свои названия, например: однонаправленная (,трансвер-сальная) или перекрестно армированная (ортотропная). В технологической и конструкторской документации схемы армирования имеют цифровое обозначение, где обозначен угол укладки волокна по отношению к главной оси. Например, сбалансированную схему армирования типа «британский флаг» можно записать в виде: 0°/ 90°/ 45°/135°.
Особый случай - структурные схемы пространственного армирования композитов, характерные для углерод-углеродных КМ (УУКМ). В них армирующие компоненты располагаются в трех, четырех и более направлениях. Такие образования называют пространственно армированными структурами (ПАС). Обычно их обозначают цифрой, означающей количество направлений ориентации, и буквой Д. Например, ориентированные в трех направлениях, обозначают ЗД. Помимо этого существует линейная и криволинейная ориентация (обычно это тела вращения).
К композитам относят интегральные пенопласты, имеющие жесткий внешний слой с газонаполненной сердцевиной, и трехслойные конструкционные материалы, например с сотовым или пенопластовым заполнителем внутри двух внешних силовых слоев.
В последнее время получили применение термопластичные само-армирующиеся композиты на основе термотропных жидкокристаллических полимеров. Однако рост их применения сдерживает высокая температура переработки.
В авиационно-космическом и специальном машиностроении КМ (в первую очередь углепластики) делятся на две группы исходя из особенностей их применения - конструкционные и тетозагцитные.
Рассмотрим требования к конструкционным материалам в изделиях машиностроения. В конструкциях материалы могут испытывать различные воздействия, связанные, например, с видом нагрузки (сжатие, растяжение, изгиб), характером нагружения (статический, динамический), действием рабочей среды и среды эксплуатации (температура, влажность, агрессивность среды, срок эксплуатации).
Перечисленные факторы определяют комплекс конструктивноэксплуатационных требований, предъявляемых к материалам. Способность материалов удовлетворять этим требованиям выявляется при анализе их механических свойств, т.е. характеристик, определяющих поведение материала при различных нагружениях и воздействиях.
При оценке свойств материалов различают несколько видов показателей.
1.
Показатели свойств, определяемые вне зависимости от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Их определяют путем стандартных испытаний образцов. Полученные характеристики используются для расчета деталей и конструкций, работающих при нормальных условиях (комнатная температура, стандартная влажность и т.д.) и статических нагрузках. Обычно это является первой редакцией паспорта КМ.
2.
Показатели конструктивной прочности, характеризующие их работу в условиях эксплуатации конкретного изделия. К ним относятся характеристики долговечности (усталостная прочность, износостойкость, коррозионная стойкость) и надежности материала (вязкость разрушения, энергия, поглощаемая при распространении трещины, живучесть при циклическом нагружении).
Количественные характеристики перечисленных свойств определяют при статических и динамических испытаниях образцов, в том числе с острыми трещинами и дефектами в виде надрезов, отверстий и т.п.
3.
Структурные показатели. Различие в упругих, прочностных и других свойствах, присущих различным КМ, тесно связано с их составом и структурой. Изменение в составе и структуре определенным образом отражается на свойствах материала.
Поэтому для конструкционных КМ характерны следующие особенности:.
— состав и форма компонентов материала определены заранее;.
— компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала;.
— компоненты располагаются в объеме материала в определенной.
последовательности (структура армирования).
4.
Показатели технологичности, характеризующие уровень сложности переработки материалов при изготовлении конкретного изделия. Они включают в себя: температуру переработки, длительность процесса формования, подготовку компонентов и полуфабрикатов, вид технологического контроля, что, в свою очередь, определяет количество операций, требуемое оборудование, категорию безопасности участков производства (пожаро- и взрывоопасность), возможный уровень токсичности и способы его снижения.
5.
Экономические показатели. Они характеризуют стоимость материала, трудоемкость изготовления, сборки и испытаний конструкций, а также технологическую себестоимость изделия. На практике часто используют удельные экономические показатели, отражающие экономические и трудовые затраты на единицу массы изделия или единицу объема. Эти показатели тесно связаны с выше перечисленными и определяют наличие положительного баланса при замене в конструкции старого материала на новый.
Таким образохм, основным при разработке конструкционных КМ является объединение компонентов с известными свойствами в определенном соотношении и последовательности для создания материала с новыми заданными свойствами и характеристиками. При этом иногда наблюдается эффект синергизма. Термин «синергизм», принятый в фармакологии, в физикохимии полимеров означает такой механизм взаимодействия нескольких компонентов, при котором произведенный эффект оказывается большим, чем эффект от суммы воздействий каждого компонента в отдельности. С появлением такого рода материалов возникла возможность селективного выбора свойств композитов, необходимых для нужд каждой конкретной области применения. В силу этого КМ оказались удобными при проектировании и планировании повышения тактико-технических характеристик разрабатываемых изделий.