ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИТЫ

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
Такая низкая прочность по сравнению с теоретической объясняется тем, что в пластической деформации активно участвуют дислокации - локальные искажения кристаллической решетки. При деформировании в результате дислокации сдвиг атомов в соединении происходит не одновременно по всей поверхности скольжения, а растягивается по времени. Такое постепенное скольжение за счет небольших смещений атомов в области дислокации не требует значительных напряжений, что и проявляется при испытании пластичных материалов. Упрочнение таких материалов заключается в создании в них структуры, затрудняющей движение дислокаций. Наиболее сильное торможение передвижению дислокаций создают дисперсные частицы второй фазы, например карбида, оксида, борида, характеризующейся высокой прочностью и температурой плавления.
Проблема повышения конструкционной прочности состоит не только в повышении прочностных свойств, но и в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т.е. повысить надежность материала.
В дисперсно-упрочненных материалах заданные прочность и надежность достигаются путем формирования определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объеме либо с определенной подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения.
Содержание дисперсной фазы обычно составляет 2 - 4%. В то же время в работе [4] теоретически и экспериментально обоснована оптимальная степень наполнения дисперсными частицами для достижения необходимого уровня вязкоупругих свойств углепластика, составляющая 0,05-0,1 об. %.
Упрочнение объясняется тем, что при деформировании в случае встречи с частицей второй фазы дислокации вынуждены либо огибать эти частицы, либо их перерезать, на что требуется приложение дополнительной работы.
Дисперсные частицы создают только «косвенное» упрочнение, т.е. благодаря их присутствию стабилизируется структура, формирующаяся при термической обработке.
Дисперсно-упрочненные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях, так как упрочняющие дисперсные частицы имеют равновесную форму.
Пластические материалы с частицами наполнителя малых размеров, равномерно распределенными по материалу, характеризуются изометрией свойств, оптимум которых достигается при степени наполнения, обеспечивающей адсорбцию всего объема связующего поверхностью частиц наполнителя, благодаря чему материал можно формовать в изделия сложной формы. Мелкие частицы наполнителя, в зависимости от их природы, могут повышать модуль упругости материала, его твердость, прочность при нагружении, придавать ему фрикционные (коэффициент трения более 0,2) или антифрикционные (коэффициент трения менее 0,2) качества.
Самое широкое применение в дисперсно-наполненных полимерах получил графит (графитопласты) [5]. Графитопласты - это полимерные композиты, содержащие в качестве наполнителя природный и искусственный графит или карбонизованные продукты. Из природных графитов в качестве наполнителей применяют крупнокристаллический чешуйчатый графит, а также скрытокристаллический графит Ногинского месторождения. Графит является хорошей сухой смазкой и обладает высокой тепло- и электропроводностью. Недостатки природного графита - высокая зольность и низкая механическая прочность. Для конструкционных теплопроводных графитопластов в качестве наполнителей используют измельченные в порошок отходы графитированных электродов, которые представляют собой прочный искусственный графит, обладающий высокими тепло- и электропроводностью, химической стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами (табл. 7.1).
Таблица 7.1. Свойства электродного графита
Плотность, г/см
1,75-1,80
Прочность, МПа
при сжатии
60-100
при изгибе
35-50
Модуль упругости, ГПа
10-13
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)
146-186
Температурный коэффициент линейного расширения, К*
2,7-10‘
Термореактивные графитопласты в промышленных масштабах в России производят под названием антегмит на основе искусственного графита и феноло-формальдегидной новолачной смолы [6]. Антегмит всех марок стоек к тепловым ударам при температуре вплоть до температуры теплостойкости. Легко обрабатывается режущими и абразивными инструментами. Основной недостаток - хрупкость (табл. 7.2).
Таблица 7.2. Свойства различных марок антеглшта
Показатели
Марка антегмита
АТМ-1
АТМ-2
АТМ-3
Плотность, г/см
1,8
1,74
1,74
Прочность, кгс/см
при растяжении
180-220
90-120
60-80
при сжатии
1000-1200
550
450
при изгибе
400-500
260
200
Ударная вязкость, кгс-см/см
2,7...3,5
1,7
1,6
Теплостойкость, °С на воздухе
170
400
600
в инертном газе
170
2000
2000
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)
49-57
130- 139
146-195
Теплоемкость, ккал/(кг- °С)
0,18
-
-
ТКЛР, °К-’
8,5-10
2,5-10
2,2*10
Электрическое сопротивление, Омм
0,5 - 0,6
0,16
0,12
Антегмит применяют как антикоррозионный, тепло- и токопроводящий материал при изготовлении теплообменников, химической аппаратуры, трубопроводов, уплотняющих устройств, электродов и др.
В качестве примера термореактивных графитопластов с эпоксидной матрицей можно привести эпоксилит, который представляет собой композицию на основе эпоксидной смолы электродного графита, пластификатора и отвердителя. Эпоксилит обладает высокой механической прочностью и износостойкостью. Применяется как антифрикционный материал для подшипников скольжения [7].
Из термопластичных графитопластов наибольшее применение получил графитонаполненный фторотаст-4. В качестве наполнителя применяют чешуйчатый и скрытокристаллический графит, графитиро-ванный уголь, коксовую муку. Графитопласты отличаются от чистого фторопласта-4 высокой износостойкостью, жесткостью, высокой теплопроводностью (табл. 7.3).
Показатели
Марка графитопласта
ФКН-7
ФКН-14
Плотность, г/см
2,108
2,117
Модуль упругости, кгс/мм
386
1,7
Интенсивность линейного износа.
при давлении 2,5 МН/м и скорости 2,5 м/с
4* 10"
210"
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)
1,06
1,27
Усадка, %
4,5
0
Детали из них выдерживают большие удельные нагрузки и скорости. При изготовлении изделий из таких материалов фторопласты в виде порошка или суспензии смешивают с порошкообразным наполнителем, а затем перерабатывают по обычной для фторопластов технологии.
При выборе геометрической формы частиц наполнителей учитывается их влияние на распределение нагрузки в композиции и, следовательно, на механизм разрушения пластика. Кроме того, принимаются во внимание размеры и форма изделий, технология переработки пластиков и многое другое. Так, в случае изделий малой толщины и сложной конфигурации предпочтение отдается тонко дисперсным наполнителям (порошкам), поскольку они легко распределяются в связующем, сохраняя исходное распределение в процессе формования изделий. Применение высокодисперсных наполнителей снижает вероятность разрушения и расслаивания изделий при последующей механической обработке.
Влияние формы частиц тонкодисперсных наполнителей на механические характеристики композиций изучено главным образом при растяжении. Упрочняющее влияние высокодисперсные наполнители оказывают лишь в тех случаях, когда они сдерживают свободное деформирование связующего, адсорбированного на их поверхности. Многообразие форм мелких частиц наполнителей затрудняет вывод единой
Рис. 7.1. Распределение растягивающих напряжений в зоне расположения сферического элемента.
Наличие твердого включения в растянутом образце уменьшает напряжение в зоне контакта связующего с наполнителем, но в самой сферической частице напряжение сг
в 1,5 раза превышает напряжение сг
в отдаленных от нее зонах связующего, т.е. наполнитель воспринимает основную часть нагрузки.
Влияние наполнителя возрастает, если частицы имеют эллипсоидную форму и ориентированы в направлении оси х, причем напряжение, воспринимаемое ими, увеличивается с ростом большой полуоси. В пределе рост оси ведет к превращению дисперсной частицы в волокно, на которое эта закономерность не распространяется.