книги / Материаловедение. Технология композиционных материалов. Материаловедение
.pdfТаким образом, в композиционных материалах разнород ные компоненты создают синергетический эффект - новое ка чество материала, отличное от свойств исходных компонентов. И для композита с неориентированными короткими волокнами, исходя из правила аддитивностьt22 свойств волокон и матрицы, можно вывести следующие математические зависимости:
Если содержание волокна VDи матрицы Уыдано в долях от объема композита, принятого за единицу, то:
FB+ F M=1;
F„=1-FB.
Осевое растягивающее усилие РКМ9воспринимаемое компо зитом, распределяется между двумя компонентами: волокном Рь и матрицей Рм:
Ркм= Ра +Рм-
Отсюда получим распределение напряжений в волокнистом композите:
стк.м= ствFB+ aM( l - F B).
В пределах упругой работы материала, согласно зако на Гука:
ак.м= 8В• Ей• FB+ бм• Ем• (1 - FB).
Так как композит работает, как единый материал, то есть отсутствует проскальзывание волокна в матрице, поэтому отно сительные деформации композита под нагрузкой sK.M>волокна ев и матрицы ем равны между собой:
8к.м “ 8В ~ £м 6.
Учитывая условие цельности композита, получим уравне ние прочности волокнистого композита RKM в следующей форме:
22 Аддитивность (правило смесей) - свойство, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сум ме значений величины его частей.
Л к .м = [ £ в К в + £ м- 0 - П ) ] - е .
Тогда продольный модуль упругости волокнистого компо зита Екмможно записать в виде:
Я™ = Ем*VM+ Ев• VB.
Вотличие от волокнистых композиционных материалов,
вдисперсно-упрочненных композитах матрица является основ ным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тор мозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достига ется у дисперсных частиц при размере 10-500 нм, расстоянии между ними 100-500 нм и равномерном распределении этих частиц в матрице. Зависимость прочности и жаростойкости от процентного содержания дисперсного наполнителя не подчиня ется закону аддитивности. В дисперсно-упрочненных компози тах содержание «второй фазы» для различных материалов не одинаково (5-70 %), но обычно в конструкционных композитах оно не превышает 5-10 %.
Вконструкционных композитах главное - это высокая прочность, превышающая аналогичную характеристику гомоген ной системы в несколько раз, высокий модуль упругости, коэф
фициент жесткости (Е/р) и пониженная склонность к трещинообразованию. То есть применение композиционных материалов по вышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее материалоемкости, например, 1 т композита может заменить тео ретически 15-25 т, а практически 4-5 т стали (табл. 3.3).
|
|
|
Т а б л и ц а 3.3 |
|
Удельная прочность (ККК) материалов при растяжении |
||||
|
Прочность |
|
Прочность |
|
Материал |
на единицу |
Материал |
на единицу |
|
плотности |
плотности |
|||
|
|
|||
|
(£КК)106,см |
|
(ККК)-\06, см |
|
Сталь |
1,88 |
ПКМ стеклово- |
117 |
|
|
|
локнит |
|
|
Алюминиевый |
1,52 |
ПКМ стекло |
31,2 |
|
сплав |
|
ткань |
|
Особенностью композиционных материалов является их малая скорость разупрочнения во времени с повышением тем пературы.
С учетом повышенных эксплуатационных характеристик КМ в 4-5 раз меньшей плотности, более высоких конструкци онных качеств, в 2-3 раза большего выхода продукции из I т сырья - производство композиционных материалов в мире рас тет, а производство традиционных конструкционных материа лов (стали, чугуна, древесины) падает.
3.3. Принципы классификации23
Классифицируют КМ по следующим основным признакам: материалу матрицы и структурирующему компоненту, геомет рии компонента, структуре и расположению компонентов, ме тоду получения. Иногда КМ разделяют по назначению, но так как одни и те же КМ могут иметь различное назначение, то этот принцип классификации используется редко. Полная характери стика КМ должна содержать все указанные признаки, на прак тике же обычно ограничиваются одним или двумя из них.
Общее название КМ, как правило, происходит от материала матрицы. КМ с металлической матрицей называются металли ческими КМ, с полимерной матрицей - полимерными КМ (ПКМ), с неорганической - неорганическими КМ (например, цементный КМ, гипсовый КМ). КМ, содержащий два или более по составу или природе матричных материала, называется полиматричным.
23 В строительном материаловедении существует две классифи кации: старая, традиционная и новая классификация материалов, раз работанная при создании теории композитов. Поэтому часть строи тельных материалов называется традиционно (например, бетоны), а материалы, разработанные в последние десятилетия (например, пла стмассы), носят название согласно классификации КМ. Кроме того, существует система торговых названий материалов, когда производя щая материал фирма пытается скрыть состав и технологию производ ства КМ.
Характеристика КМ по материалу матрицы и арми рующих элементов указывает на их природу. Название поли мерных КМ состоит обычно из двух частей: в первой указывает ся материал волокна, второй является слово «пластик» или «волокнит». Например, ПКМ, армированные стекловолокнами (СВ), называются стеклопластиками или стекловолокнитами; металлическими волокнами - металлопластиками (металловолокнитами); органическими волокнами - органопластиками (органоволокнитами); волокнами древесины - древесноволок нистыми пластиками; углеродным волокном (УВ) - углепласти ками (углеволокнитами); асбестовыми - асбопластиками (асбоволокнитами) и т.д.
Всоответствии с геометрией структурирующих элемен тов (порошки или гранулы, волокна, пластины) КМ делятся на порошковые, гранулированные, волокнистые, пластинчатые.
Всоответствии с классификацией КМ по структуре и рас положению структурирующих компонентов композиционные материалы разделяются на группы с каркасной структурой, мат ричной, слоистой и комбинированной. К КМ с каркасной струк турой относятся железобетон, бетонополимеры, полученные ме тодом пропитки; с матричной - двухосно-армированные (ДКМ)
иволокнисто-армированные материалы; со слоистой - компози ции, полученные путем набора чередующихся фольг или листов материалов различной природы или состава; комбинирован ные - материалы, содержащие комбинации первых трех групп.
КМ с матричной структурой могут быть армированы эле ментами, имеющими хаотичную ориентацию в пространстве (дисперсными включениями, дискретными или непрерывными волокнами). КМ с матричной структурой, упрочненные арми рующими элементами, ориентированными определенным обра зом в пространстве, относятся к упорядоченно-армированным. Они подразделяются на одноосно-армированные или однона правленные (с плоскостным расположением арматуры) и трех осно-армированными (с объемным расположением арматуры).
Всоответствии с классификацией по методам получе ния КМ подразделяются на полученные жидко- и твердофазны ми методами, методами осаждения-напыления и комбинирован
ными методами (здесь указаны только главные технологические приемы, обеспечивающие окончательное формирование мате риала). К жидкофазным методам относятся формование литьем или под воздействием вибрации, пропитка (например, пропитка бетона или арматуры полимерами), направленная кристаллиза ция расплавов (например, ситаллов, сплавов).
К твердофазным методам относят прессование, прокатку, экструзию, ковку, штамповку, диффузионную сварку, волоче ние, уплотнение взрывом и другие динамические методы.
Для КМ, полученных твердофазными методами, характер но использование матрицы в виде порошка или тонких листов. Армированные КМ, матрица которых в исходном состоянии представляет собой тонкие листы, а вся заготовка - набор чере дующихся слоев матрицы и армирующих элементов, уложенных в заданной последовательности, в литературе иногда называют «композициями типа сандвича».
При получении КМ методами осаждения-напыления мат рица наносится на подложку, волокна из растворов солей или других соединений (шликеров), из парогазовой фазы, из плазмы ит.п.
Комбинированные методы заключаются в последователь ном или параллельном применении нескольких методов полу чения КМ. Например, при изготовлении керамической плитки сырье перерабатывают сначала твердо- и жидкофазным метода ми, формуют плитку чаще твердофазным методом, а покрывают глазурью или ангобами жидкофазным методом.
3.4, Перспективы использования композитов в строительстве
Простота переработки и разнообразие свойств композици онных материалов в сочетании с различными технологическими процессами деталей из них, изделий и конструкций предостав ляют конструкторам широкие возможности в сравнении с ме таллами, древесиной и горными породами. Кроме того, техноло гия получения композитов позволяет утилизировать различные отходы переработки материалов: например, при производстве
древесного погонажа (бруса, досок и т.д.), начиная с рубки де рева, остается до 70 % древесных отходов, которые можно пере работать в различные композиционные материалы.
Существенным препятствием для роста производства ком позитов является то, что до сих пор имеет место повсеместное использование стального проката. В основном это связано с инертностью мышления конструкторов, не доверяющих на дежности новых материалов. Надежность новых материалов оп ределяется во многом методиками оценки их качества.
Хотя полимерные КМ, как правило, менее жесткие, детали
иузлы из них можно легко спроектировать так, что они по сво им функциональным качествам не будут уступать штампован ным из листовой стали. Ими можно заменить отливки, поковки
ипрессованные металлические профиля. При этом снижается масса композита, повышается его коррозионная стойкость, а за частую также ударопрочность и выносливость. Области приме нения ПКМ определяются их свойствами (табл. 3.4).
|
|
|
Т а б л и ц а 3.4 |
|
Сравнительные свойства гомогенных |
|
|||
и композиционных материалов |
|
|||
|
Композиты |
Гомогенные |
||
|
материалы |
|||
Свойство |
|
Углеродные |
||
Слоистые |
|
|
||
|
Алюминий |
Сталь |
||
|
пластики |
композиты |
||
|
CarboDur |
|
|
|
|
|
|
|
|
Плотность, кг/м3 |
1400-2000 |
1500-1600 |
2750 |
7850 |
Предел прочно 70-340 |
1450-3000 |
40-185 |
200-230 |
|
сти при растяже |
|
|
|
|
нии, МПа |
|
|
|
|
Относительное |
1-2 |
0,45-1,70 |
30-40 |
38-40 |
удлинение при |
|
|
|
|
разрыве е, % |
|
|
|
|
Модуль упруго |
5,5-30,0 |
165-300 |
70 |
205 |
сти при растяже |
|
|
|
|
нии Е, ГПа |
|
|
|
|
|
Композиты |
Гомогенные |
||
|
материалы |
|||
Свойство |
|
Углеродные |
||
Слоистые |
|
|
||
|
Алюминий |
Сталь |
||
|
пластики |
композиты |
||
Предел прочно |
«CarboDur» |
|
|
|
70-375 |
|
62 |
195 |
|
сти при сжатии, |
|
|
|
|
МПа |
|
|
|
|
Предел прочно |
135-445 |
|
135 |
205 |
сти при изгибе, |
|
|
|
|
МПа |
|
|
|
|
Модуль упруго |
5,5-14,0 |
|
70 |
190-205 |
сти при изгибе, |
|
|
|
|
ГПа |
|
|
|
|
Ударная вяз |
267-1600 |
|
1335 |
2403 |
кость, Дж/м |
50-160 |
|
|
|
Теплостойкость |
|
|
|
|
при непрерывном |
|
|
|
|
нагреве, °С |
отличная |
|
|
|
Стойкость к кис |
|
|
||
лотам и щелочам |
от плохой до отличной |
|
|
|
Стойкость к рас |
|
|
||
творителям |
от хорошей до отличной |
корроди |
ржавеет |
|
Атмосферостой- |
||||
кость |
|
|
рует |
11-18 |
Температурный |
18,0-32,5 |
|
21,5-23,5 |
|
коэффициент ли |
|
|
|
|
нейного расшире- |
|
|
|
|
НИ Я - С С /- К Г 6 , °С-1
Встроительстве ПКМ используются в зависимости от по казателей качества в элементах сборных конструкций, опалубке для отапливаемых бетонных сооружений, коррозионно-стойких материалах, изделиях и конструкциях (окнах, дверях, фасадах зданий, ненесущих стенах, панелях для крыш, водосточных
и канализационных трубах, желобах, мойках, душах, ванных), элементах конструкций для плавательных бассейнов, коррози онно-стойком оборудовании и т.д.
Вопросы для самоконтроля
1.Что такое матрица и структурирующий компонент («вторая фаза»)? Какова их роль в композитах?
2.Какие материалы могут выполнять роль матрицы или дисперсионной среды?
3.Какие материалы выполняют роль «второй фазы»?
4.В чем различие механизмов упрочнения композицион ных материалов - волокнистых и дисперсно-упрочненных?
5.На какие свойства композита окажет влияние степень наполнения «второй фазой»?
6.Чем объясняются высокие прочностные свойства кон струкционных композитов?
7.Какие разновидности волокнистых материалов вы
знаете?
8.Из каких материалов можно получить наиболее проч ные композиты и почему?
9.Укажите номенклатуру изделий и конструкций, кото рые можно изготовить из конструкционных материалов.
10. Как классифицируются композиционные материалы с неметаллической матрицей по виду структурирующего ком понента (упрочнителя) и матрицы?
И . Из каких материалов можно получать наиболее проч ные композиты с высоким модулем упругости?
12.Каковы перспективы применения композиционных ма териалов в строительстве.
13.Фирма для изготовления столешниц, моек, ванн произ водит материал с торговым названием «кориан». В его состав входят акриловая смола, пигменты и наполнитель в виде тригидрата алюминия. Как правильно назвать этот материал со гласно классификации КМ?
14.Цементный бетон - старое, традиционное название ма териала. Как можно назвать этот материал согласно классифи кации КМ?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Горбунов Г.И. Основы строительного материаловедения (состав, химические связи, структура и свойства): учеб, пособие для вузов / Г.И. Горбунов. - М.: АСВ, 2002. - 167 с.
2.Горчаков В.М. Основы стандартизации и управления ка чеством промышленности строительных материалов / В.М. Горчаков, Э.Г. Мурадов. - М.: Стройиздат, 1987.-287 с.
3.Микульский В.Г. Строительные материалы (материало ведение и технология): учеб, пособие / В.Г. Микульский [и др.]. -М .: ИАСВ, 2002.-536 с.
|
4. Надежность и эффективность |
в технике: справочник |
в 10 т. T. 1. Методология. Организация. Терминология / под ред. |
||
A. |
И. Рембезы. - М.: Машиностроение, 1989. - 224 с. |
|
|
5. Композиционные материалы: |
справочник / под ред. |
B. |
В. Васильева, Ю.М. Тарнапольского. - М.: Машиностроение, |
|
1990.-608 с. |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ....................................................................................... |
3 |
1. КЛАССИФИКАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ |
|
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ......................................... |
4 |
Вопросы для самоконтроля................................................... |
8 |
2. СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА |
|
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ......................................... |
9 |
2.1 .Основные понятия материаловедения............................... |
9 |
2.1.1. Понятия о дисперсной системе.................................. |
9 |
2.1.2. Состав и строение материала..................................... |
13 |
Вопросы для самоконтроля................................................... |
18 |
2.2.Основные свойства строительных материалов
и их смесей.................................................................................... |
18 |
2.2.1. Физические свойства................................................... |
19 |
2.2.1.1. Параметры состояния системы........................ |
19 |
2.2.1.2. Структурные свойства......................................... |
21 |
2.2.1.3. Гидрофизические свойства................................ |
23 |
2.2.1.4. Теплофизические и огнезащитные свойства... |
28 |
2.2.1.5. Акустические и электрофизические свойства |
33 |
2.2.2. Механические свойства............................................... |
35 |
2.2.2.1. Деформации и деформативные свойства....... |
35 |
2.2.2.2. Прочностные свойства........................................ |
41 |
2.2.2.3. Твердость, истираемость, износ...................... |
50 |
2.2.3. Химические и физико-химические свойства.......... |
51 |
2.2.3.1. Физико-химические свойства............................ |
51 |
2.2.3.2. Химические свойства.......................................... |
53 |
2.2.4. Надежность и долговечность..................................... |
55 |
2.2.5. Технологические свойства смесей............................. |
57 |
Вопросы для самоконтроля................................................... |
60 |
3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПО КОМОЗИЦИОННЫМ |
|
МАТЕРИАЛАМ............................................................................ |
63 |
3.1. Состав и строение композита............................................. |
63 |
3.2. Влияние матрицы и структурирующего компонента |
|
на формирование свойств композита...................................... |
65 |
3.3. Принципы классификации.................................................. |
73 |
3.4. Перспективы использования композитов |
|
в строительстве............................................................................. |
75 |
Вопросы для самоконтроля................................................... |
78 |
Список литературы.......................................................................... |
79 |