Физико-механические свойства КМ
Понятие о композиционных материалах. Классификация композиционных материалов.
КМ (композиты) – состоят из двух и более компонентов, количественное соотношение которых должно быть сопоставимым. Компоненты композитов не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга. Они должны быть хорошо совместимы. Свойства КМ нельзя определить только по свойствам компонентов, без учета их взаимодействия.
Классифицируют КМ по следующим основным признакам:
- материалу матрицы и армирующих элементов,
- геометрии компонентов,
-структуре и расположению компонентов,
- методу получения.
По механизму упрочнения:
- принцип армирования матрицы высокопрочными, несущими нагрузку элементами (железобетон, стеклопластик и др.).
- дисперсно-упрочненные материалы.
Физико-механические свойства КМ.
Физико – мех св-ва композитов позволяют выявить аналитические зависимости, показывающие влияние св-в волокон матрицы, их адгезионного взаимодействия, структуры материала и мех-мов разрушения на макроскопические упругопрочностные характеристики однонаправленного слоя. Наиболее успешно они описывают предельный модуль упругости и прочность композита при растяжении. Модуль упругости самих волокон в поперечном направлении совпадает с модулем упругости в продольном направлении только для изотропных стеклянных и борных волокон. Для углеродных и органических волокон поперечный модуль существенно ниже продольного.
Удлинение композита при растяжении в поперечном направлении слагается из деформации волокон и связующего.
Прочность композитов при поперечном растяжении – сжатии и сдвиге зависит от многих факторов: от свойств матрицы, адгезионного взаимодействия, структуры материала – наличия пор и других дефектов. Прочность и жесткость явл. важнейшими характеристиками любого материала. При нагружении образца растяжением или сжатием в нем возникают нормальные напряжения и соответсвующие им деформации, которые растут вплоть до разрушения материала. Предельное ( максимальное) напряжение называют его прочностью.
3. «Интеллектуальные» КМ –конструкционный материал, способный к самодиагностированию и самоадаптации. Эти материалы должны обладать след. функциями:
-сенсорная (распознавание возникающих ситуаций)
- процессорная ( анализировать и принимать решение)
- исполнительная (возбуждать и осуществлять необходимую реакцию).
В наст. вр. не существует композитов, которые отвечали бы всем перечисленным требованиям. Однако частично эти задачи могут быть решены.
Основным требованием, предъявляемым к сенсорным элементам «интеллектуальных» композитов, является чувствительность к механическому состоянию материала и способность распределяться по всему объему. Идеальный сенсор должен превращать деформацию или смещение непосредственно в электрические сигналы. При этом сенсорные элементы функционально должны входить в состав материала и не снижать его физико-механические свойства.
Наблюдение за процессами разрушения композитов можно осуществлять с помощью акустоэмиссии.
Контроль за вязкоупругих свойств полимерных композитов (дефектоскопию) проводят с помощью акустических методов, фиксируя зависимости между скоростью звука и коэф. его поглощения.
Действующим принципом исполнительных (адаптационных) механизмов явялется деформация, создающаяся в результате каких-либо явлений – нагрев, подача электрического сигнала и др. Для активации материала наиболее приемлемы пьезоэлектрический эффект, электро- и магнитострикция и эффект памяти формы. Эти механизмы обеспечивают превращение электрического сигнала в срабатывающую деформацию. Сплав титана и никеля обеспечивает деформацию до 2%. Также влияет модуль упругости , который определяет возможность создания заданного напряженно-деформированного состояния.
Процесс изготовления «интеллектуальных» композитов в основном соответствует процессу получения изделия из основного материала. При этом необходимо ввести в материал информационные и исполнительные элементы, минимально нарушая его структуру.
В настоящее время за рубежом (США, Япония, Великобритания и др.) проводятся интенсивные научно-технические работы по созданию таких материалов для современной техники, прежде всего авиационной, ракетно-космической, а также для средств массовой коммуникации. Например: передняя кромка самолета F-15, сегментный рефлектор и исполнительные механизмы конструкции поворота космических аппаратов.
4. Основные виды полимерных матриц КМ(связующих):
- термореактивная (реактопласты) - результат отверждения эпоксидных, эфирных, имидных, кремнийорганических и др олигомеров в процессе изготовления композита. Это материалы на основе жидких или твердых, способных при нагревании переходить в вязкотекучее состояние, реакционноспособных олигомеров, отверждаемых при повышенной температуре или в присутствии специально добавляемых в композицию веществ - отвердителей. При этом вследствие протекания химических реакций образуется сетчатая структура.
Основные виды связующих на основе термореактивных полимеров:
-фенолформальдегидные олигомеры,
-фурановые олигомеры,
-кремнийорганические олигомеры (полиорганосилоксаны),
-ненасыщенные олигоэфиры,
-эпоксидные олигомеры,
-олигоимиды.
- термопластичная – расплавляется для пропитки наполнителя, а затем охлаждается (полиэтилен, полипропилен, полиариленсульфоны, -сульфиды, - кетоны и др.) Представляют собой линейные или разветвленные карбоцепные или гетероцепные полимеры, сополимеры и их смеси. При нагревании они обратимо переходят в размягченное или расплавленное состояние.
Основные виды связующих на основе термопластичных полимеров:
-полиолефины (полиэтилен выс и низ плотности, полипропилен),
-поливинилхлорид (-Cl2-CHCl)n,
-полистирольные пластики –[CH2-CH(C6H5)]n,
- полиметилметакрилат –[CH2-CH3(CОСH3)]n,
- полиамиды,
-полиформальдегид (CH2О)n,
- ароматические полиэфиры (поликарбонаты, полибутилентерефталат, полиэтилентерефталат),
- полиимиды,
-ароматические полиамиды,
-полисульфон,
-фторполимеры.
- гибридная – может сочетать терморектив и термопластич компоненты. Иногда композиты называют в соответствии с природой матрицы, напр-р: эпоксиволокниты.