Теоретические основы межмолекулярных взаимодействий на границе раздела фаз
И композиционных материалов
Т.В. Бурдикова, А.М. Коробков, Е.Г.Белов
ПРАКТИКУМ ПО АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
Казань.2017
УДК 678.027.776:539.612
ББК
Авторы: Бурдикова Т.В., Коробков А.М., Белов Е.Г.
Практикум по адгезионной прочности композиционных материалов: учебное пособие по курсу «Физико-химия и механика композиционных материалов/ Т.В. Бурдикова, А.М. Коробков, Е.Г. Белов ; Министерство образования и науки России, «Казанский национальный исследовательский технологический университет».-Казань: КНИТУ, 2016. –186 с.
ISBN 978-5-7882-
Изложено теоретическое описание практических работ и необходимые для их выполнения разделы, включены работы по исследованию и определению адгезионной прочности в системах адгезив-субстрат.
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлениям 22.03.01"Материаловедение и технология материалов" и 18.03.01 «Химическая технология», а также для магистров, обучающихся по направлениям подготовки 18.04.01 «Химическая технология», 20.04.01 "Техносферная безопасность", специалистов по направлению 18.05.01 "Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий", а также аспирантов, научных сотрудников и инженеров.
Подготовлено на кафедре технологии изделий из пиротехнических и композиционных материалов.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета.
Рецензенты:
докт.техн.наук,.профессор , заведующий кафедрой " Материаловедения, сварки, производственной безопасности" ФГБОУ ВО "КНИТУ" им. А.Н.Туполева - Э.Р.Галимов;
докт.техн.наук, профессор, консультант директора ФКП "ГосНИИХП"- Н.М.Ляпин.
ISBN 978-5-7882-
ÓБурдикова Т.В., Коробков А.М., Белов Е.Г.
Ó Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ.. 5
ВВЕДЕНИЕ.. 6
1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КМ... 11
1.1 Классификация КМ... 11
1.2 Требования, предъявляемые к КМ... 15
1.3 Области применения КМ... 17
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ 24
2.1 Адгезионные явления. 24
2.2 Виды межмолекулярных взаимодействий на границе раздела фаз. 26
2.3 Теории механизмов адгезии полимеров. 27
3 АДСОРБЦИЯ ПОЛИМЕРОВ НА ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ.. 27
3.1 Роль адсорбции полимеров при формировании адгезионного контакта 27
3.2 Физико-химия поверхностных явлений при адсорбции полимеров на твердой поверхности 27
3.3 Адсорбция полимеров из разбавленных растворов. 27
3.4 Изотерма адсорбции.. 27
3.5 Адсорбция полимеров из полуразбавленных и концентрированных растворов 27
3.6 Молекуляро-агрегативный механизм адсорбции полимеров. 27
3.7 Адсорбция полимеров из растворов смесей полимеров и их расплавов 27
3.8 Конформация макромолекул на границе раздела с твердым телом.. 27
3.9 Молекулярная подвижность и упаковка макромолекул полимера вблизи границы раздела фаз 27
3.10 Микрогетерогенность поверхностных слоев полимера. 27
4 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ АДГЕЗИОННОГО КОНТАКТА.. 27
4.1 Роль поверхности в формирования адгезионного контакта. 27
4.2 Влияние толщины адгезива на адгезионную прочность КМ... 27
4.3 Диффузия в полимерах. 27
4.4 Адгезия полимеров к пластмассам, каучукам, резинам.. 27
4.5 Адгезия полимеров к текстильным материалам.. 27
4.6 Факторы, определяющие прочность связи «корд-адгезив-резина». 27
4.7. Адгезия полимеров к целлюлозе. 27
4.7.1. Адгезия полимеров к древесине. 27
4.7.2 Адгезия полимеров к бумаге. 27
4.8 Адгезия полимеров к коже. 27
4.9 Усиление каучуков сажами.. 27
4.10 Адгезия полимеров к неорганическим субстратам.. 27
4.10.1 Адгезия полимеров к стеклу. 27
4.10.2 Стеклопластики и способы их получения. 27
4.10.3 Взаимодействие полимера с некоторыми минеральными наполнителями 27
4.11 Адгезия полимеров к металлам.. 27
4.11.1 Влияние природы металлов на прочность КМ на их основе. 27
4.11.2 Адгезия в системе металл-полимер. 27
4.11.3 Адгезия в системе металл-клей-полимер. 27
5. УСИЛЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ НАПОЛНИТЕЛЯМИ.. 27
5.1 Физико-химические свойства наполнителей.. 27
5.2 Наполнение аморфных и кристаллических полимеров. 27
5.2.1 Наполнение аморфных полимеров. 27
5.2.2 Наполнение кристаллизующихся полимеров. 27
5.3 Реологические свойства наполненных полимеров. 27
5.4 Температура стеклования наполненных полимеров. 27
6 МОДИФИКАЦИЯ КОМПОНЕНТОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 27
7 ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА АДГЕЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ КЛЕЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ 27
8 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ.. 27
8.1 Неразрушающие методы определения адгезионной прочности.. 27
8.2 Разрушающие методы определения адгезионной прочности.. 27
8.3 Характер разрушения адгезионных соединений.. 27
9 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ... 27
9.1 Лабораторная работа № 1. 27
9.2 Лабораторная работа № 2. 27
9.3. Лабораторная работа № 3. 27
9.4 Лабораториям работа №4. 27
10 МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ 27
10.1 Основные понятия и определения. 27
10.2 Определение вида регрессионной зависимости и коэффициента корреляции 27
11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ С.. 27
ПОМОЩЬЮ ПЛАНОВОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.. 27
11.1 Составление матрицы планирования эксперимента. 27
11.2 Пример обработки экспериментальных данных. 27
12 ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ.. 27
ЛИТЕРАТУРА.. 27
СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
КМ - композиционный материал
ФФС - феноло-формальдегидная смола
НК - натуральный каучук
ПММА - полиметил-метаакрилат
Полимерный композиционный материал -композит
САП - спеченный алюминиевый порошок
СКС-30А – бутадиен-стирольный каучук.
ПЭ - полиэтилен
ПММА - полиметилметаакрилат
ОДА - октадециламин
ЯМР - дерно-магнитный резонанс
ПАВ - поверхностно-активные вещества
ВМС-высокомолекулярное соединение;
НМС- низкомолекулярное соединение
ЭКС- энергонасыщенные конденсированные системы
ВВЕДЕНИЕ
Развитие науки происходит путем чередования стадий постепенного накопления знаний и революционного переворотов. В химии и физике такой переворот произошел во второй половине 19 начале 20 века в связи с развитием атомных представлений. В науке о материалах он произошел в 1960-1970 годах. В западной литературе этот переворот получил название «революция материаловедения».
Процесс создания новых материалов является технологическим фундаментом, на котором основаны инновации во всех отраслях техники. Это, в первую очередь, высокоэффективные композиционные и керамические материалы, высокопрочные полимеры, аморфные металлы и высокотемпературные сплавы.
Конструктор должен представлять свойства новых материалов и их потенциальные возможности. Если использовать замену металлической детали на деталь, например, из полимерного композиционного материала (композита), то эта замена сопровождается изменением ее конструкции с целью максимального использования потенциальных преимуществ нового материала. Однако, изделия из композитов (армированных пластиков, стеклопластиков, волокнистых и дисперсно-упрочненных композиционных материалов на полимерной матрице) конструируются принципиально иначе, чем изделия из традиционных металлов и их сплавов. Конструктор должен уметь сравнивать и точно оценивать свойства конкурирующих материалов. Для этого необходимо знание основных свойств материалов, зависимость этих свойств от процесса обработки, способов формования, соединения и отделки материалов.
Условия работы современных машин и приборов выдвигают требования по прочностным характеристикам и стойкости материалов в широких интервалах температур от - 269°С в среде сжиженного гелия до 1000°С и выше при динамических нагрузках, в вакууме и в горячих потоках активных газов. Решение важнейших задач, связанных с экономным расходованием материалов, уменьшением массы машин и приборов во многом зависит от внедрения новых материалов, которые создаются с целью получения заданных эксплуатационных свойств готовых изделий.
Одним из путей создания новых материалов является способ соединения различных веществ, создание композиционных материалов (КМ).
Композиционный материал (от лат. compositio- составление) – искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с границей раздела между ними.
Для КМ характерны следующие признаки:
а) состав (природа, количество) и форма материала определяются в соответствии с заданными свойствами КМ;
б) материал КМ однороден в макромасштабе – это твердое вещество, но неоднороден в микромасштабе (компоненты КМ различаются по физико-химическим свойствам, между ними существует граница раздела фаз).
Механическое поведение КМ определяется природой и соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.
В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению прочностных характеристик.
При использовании углеродных, стеклянных и борных волокон, содержащихся в материале в количестве 50-70%, созданы композиции с прочностными характеристиками и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые КМ превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам.
Так, армирование сплавов алюминия волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С. Армирование проволокой (из ванадия, молибдена) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе никеля, хрома, кобальта, титана и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы никеля, армированные металлическими волокнами, могут работать при температуре 1300-1350 °С.
Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых композиционных материалов - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, например, при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80°С.
Композиционные материалы на основе углерода (углепластики) сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, химической стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000°С в инертной среде.
Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами карбида кремния позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости.
Содержание волокон в ориентированных материалах составляет 60-80 об % в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге, сжатии и сопротивление усталостному разрушению. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.
Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлических волокнистых и слоистых композиционных материалов - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, например, при создании эвтектических жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80°С.
К КМ также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
В отличие от волокнистых КМ в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.
Высокая прочность КМ достигается при размере частиц 10-500 нм при содержании порошков металлов 5-10 об %.
Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок).
Армирование материалов дисперсными металлическими частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование в основном применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с последующей переработкой слитков в изделия. Армирование дисперсными металлическими частицами позволяет создать керамико-металлические материалы (керметы), обладающие повышенной прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам.
Широкое применение находят КМ, имеющие сэндвичевые конструкции. Эта особая форма конструкции состоит из двух прочных облицовочных пластин – обшивок и толстой легкой сердцевиной (соты) – заполнителя, распределяющего нагрузку между ними, а также адгезионных слоев, связывающих нагрузку от заполнителя к облицовкам и обратно.
Впервые сотовые конструкции были использованы в 1820 г. для облегчения массы несущих конструкций, а промышленное применение началось в 30-х годах нашего столетия.
КМ отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости, модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение КМ повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.
К композиционным материалам можно отнести энергонасыщенные конденсированные системы: пороха, пиротехнические составы, твердые топлива, которые следует рассматривать как наполненные полимеры, многокомпонентные системы, для которых очень важным являются процессы, проходящие на границе раздела фаз. Физико-химия поверхностных явлений также актуальна для данных энергетических систем при разработке рецептур, технологии изготовления изделий на их основе с высокими прочностными характеристиками, а также при изучении закономерностей, связанных с увеличением прочности крепления топлив к корпусу заряда.
Знание закономерностей формирования механических и других свойств КМ позволяет рационально использовать существующие и создавать новые композиции с заданными характеристиками.
1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КМ
Классификация КМ
В большинстве КМ (за исключением слоистых) компоненты можно подразделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы (1-3). В КМ конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. Матрица в КМ обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость.
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.
КМ, представляют собой полимерные, металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции (1-5).
По характеру структуры КМ подразделяются на:
– волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами;
– дисперсно-упрочнённые материалы, полученные путём введения в матрицу дисперсных частиц упрочнителей;
– слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов.
По характеру распределения армирующего материала КМ можно разделить на два основных класса:
– с упорядоченным армированием;
– с неупорядоченным армированием.
В первом случае разработчик материала заранее задается конфигурацией, т.е. геометрической структурой распределения арматуры в матрице. Во втором случае распределение арматуры носит случайный, хаотический характер.
КМ обоих классов можно разделить по типу материалов, используемых в качестве матриц и армирующих материалов. И те, и другие материалы могут быть органической и неорганической природы. Свойства КМ зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.
Волокнистые композиционные материалы. Прочность волокнистых КМ определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.
Наиболее широкое применение в технике получили КМ, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят:
– полимерные КМ на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами;
– металлические КМ на основе сплавов алюминия, магния, меди, титана, никеля, хрома, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;
– КМ на основе углерода (углепластики), армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы);
– КМ на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и другими жаростойкими волокнами.
При использовании углеродных, арамидных, сверхвысокомолекулярного полиэтилена, стеклянных и борных волокон, содержащихся в материале в количестве до 70%, созданы композиции с прочностными характеристиками и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые КМ превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам.
Углепластики на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, химической стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000°С в инертной среде.
Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать КМ, характеризующиеся повышенной вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких температурах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значительному повышению ее прочностных свойств из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости.
Содержание волокон в ориентированных материалах составляет 60-80 об % в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость КМ. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге, сжатии и сопротивление усталостному разрушению. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства КМ. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.
Перспективное направление создания высокопрочных КМ – это армирование материалов нитевидными кристаллами ("усами"), которые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. Наибольший интерес представляют КМ, армированные нитевидными кристаллами керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10-15 мм по длине. Наибольший практический интерес представляют кристаллы оксидов алюминия, бериллия, карбидов кремния и бора, нитридов кремния и алюминия диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока. КМ на основе эпоксидной матрицы и нитевидных кристаллов ThO2 (30% по массе) имеют модуль упругости 70 ГПа. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрических и магнитных свойств. Выбор и назначение КМ во многом определяются условиями эксплуатации детали или конструкции, технологическими возможностями.
Пороха и смесевые твердые ракетные топлива (1) можно также отнести к волокнистым, но энергонасыщенным КМ, принимая во внимание то, что основой пороха является целлюлоза-волокнистое высокомолекулярное соединение (ВМС). Поэтому большинство процессов, протекающих при формировании данных энергонасыщенных конденсированных систем (ЭКС) и изготовлении изделий на их основе подчиняется закономерностям, характерным для ВСМ, рассмотренным в данном пособие.
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых КМ в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.
Рисунок 1.1. Древесно-стружечный материал (ДСП)
Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице.
Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 10 об %. Дисперсно-упрочненные КМ могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.
Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок).
Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250-500°С, по длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45-55 МПа.
Пиротехнические составы и твердые топлива, содержащие ВСМ в виде компонентов и специальных добавок можно отнести к дисперсно-упрочненным энерогонасыщенным КМ, т.к. их основные компоненты-окислители и горючие используются, как правило, в порошкообразном виде. В связи с этим все процессы, проходящие на границе раздела фаз при формировании зарядов из них рассматриваются исходя из закономерностей, характерных для ВСМ (2).
Армирование материалов дисперсными частицами приводит к повышению прочности КМ за счет образования адгезионных взаимодействий между функциональными группами матрицы и наполнителя.
Слоистые композиционные материалы. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.
Требования, предъявляемые к КМ
К КМ в основном предъявляются требования по физико-механическим свойствам, а в ряде случаев – по физико-химической стабильности и коррозионной стойкости. КМ должны выдерживать определенный уровень механических нагрузок: это растяжение, сжатие, изгиб и характер нагружения (статический, динамический). КМ должны быть устойчивы к действию окружающей среды (температура, влажность, давление, агрессивная среда). Эти факторы определяют комплекс конструктивно-эксплуатационных требований, предъявляемых к КМ ( 3- 5).
К показателям конструкционной прочности материалов относятся характеристики долговечности изделий (усталостная прочность, износоустойчивость, коррозионная стойкость) и надежность материала в изделии (вязкость разрушения, живучесть при циклическом нагружении). Количественные характеристики перечисленных свойств определяются при статических и динамических испытаниях образцов, приближенным к реальным условиям эксплуатации.
К КМ предъявляются требования по технологичности. Технологичность – это способность материала приобретать заданную форму при действии различных факторов (температура, давление, влажность), подвергаясь механической обработке, и иметь способность устойчиво соединяться различными методами (сваркой, склеиванием).
Специальные требования к КМ – это магнитные, изоляционные свойства, качество поверхности: цвет, шероховатость.
С другой стороны КМ имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.
Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.
Анизотропия - непостоянство свойств КМ от образца к образцу. Для компенсации анизотропии увеличивают коэффициент запаса прочности, что может нивелировать преимущество КМ по удельной прочности. Таким примером может служить опыт применения КМ при изготовлении вертикального оперения истребителя МиГ-29. Из-за анизотропии применявшегося КМ вертикальное оперение было спроектировано с коэффициентом запаса прочности кратно превосходящим стандартный в авиации коэффициент 1,5, что в итоге привело к тому, что композитное вертикальное оперение МиГ-29 оказалось равным по весу конструкции классического вертикального оперения, сделанного из дюралюминия.
Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из КМ, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.
Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.
Гигроскопичность КМ, т.е. склонность впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры КМ. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру КМ, разрушает изделие из КМ изнутри (эффект по природе аналогичен разрушению автомобильных дорог в межсезонье). Так одной из возможных причин авиакатастрофы American Airlines Flight 587, в которой от фюзеляжа оторвался композитный киль, причина – разрушение структуры композитного киля от периодически замерзавшей в ней воды. КМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин.
Токсичность. При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека, например мебель, окна, двери, линолиум, спортивный инвентарь, композитный фюзеляж самолета (например, Boeing 787 Dreamliner), то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.
Низкая эксплуатационная технологичность. КМ обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.
Знание закономерностей, определяющих в материале наличие тех или иных свойств, позволяет рационально использовать существующие и создавать новые КМ.
Области применения КМ
Наиболее широко используются полимерные композиционные материалы-композиты. Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластичных полимеров обеспечивает их широкий выбор для работы в диапазоне от отрицательных температур до 100-200°С – для органопластиков, до 300-400 °С, для стекло-, угле- и боропластиков. Композиты с полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до 120-200°, с феноло-формальдегидной – до 200-300°С, полиамидной и кремнийорганической – до 250-400°С. Металлические композиционные материалы на основе алюминия, магния и их сплавов, армированные волокнами из бора, углерода, карбида кремния применяют до 400-500°С; композиционные материалы на основе сплавов никеля и кобальта работают при температуре до 1200 °С, на основе тугоплавких металлов и их соединений - до 1700°С, на основе углерода и керамики - до 2000 °С.
Использование композитов в качестве конструкционных, теплозащитных, антифрикционных, радио- и электротехнических и других материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции (1-5). Композиционные материалы применяют в химической, текстильной, горнорудной, металлургической промышленности, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения, музыкальных инструментов, в строительстве, в военном деле и т.п..
КМ различных типов и конструкций находят широкое применение в различной сфере человеческой деятельности:
– в судостроении: детали судов, яхт, катеров, внутренняя отделка, судовая мебель, буи, бакены, оснастка для рыбного промысла;
– в машиностроении: коррозионностойкое оборудование, детали машин станков, механизмов;
– оборудование для очистки воды;
– в строительстве: железо-бетонные изделия, фасады зданий, отделка, перегородки, панели для крыш, элементы сборных конструкций: двери, рамы;
– сельское хозяйство: силосные башни, клетки для скота, сараи, планки для подвешивания тушь скота;
– в быту: мебель, корпуса телевизоров, лыжи, оборудование для спортивных площадок и для аттракционов, элементы конструкций плавательных бассейнов, спортивные тумбы, спортивные снаряды и т.д.
Разрабатываются КМ со специальными свойствами, например, радиопрозрачные и радиопоглощающие материалы, материалы для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов (с малым коэффициентом линейного термического расширения и высоким удельным модулем упругости) и другие. Прочностные свойства КМ на основе алюминия и магния (прочность, модуль упругости, усталостная и длительная прочность) более чем в 2 раза (до 500 °С) выше, чем у обычных сплавов. КМ на основе никеля и кобальта увеличивают уровень рабочих температур от 1000 до 1200°С, а на основе тугоплавких металлов и соединений – до 2000°С. Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов даёт возможность повысить мощность двигателей, машин и агрегатов.
Области применения КМ многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они применяются в автомобильной промышленности – для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении – для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности – для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности – в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве – для пролётов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности – для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности — для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении – для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и других; в бытовой технике – для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др.
Применение КМ в ряде случаев потребует создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов конструкций.