Определение композиционных материалов

Д.А. Негров, А.Р. Путинцева, В.Ю. Путинцев, Рогачев Е.А.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебное пособие

Омск 2017

 

УДК 534:691.175

Н-41

 

Рецензенты:

Акимов В.В., профессор, д.т.н. «Технология конструкционных материалов и специальных технологий» ФГБОУ ВПО «Сибирская автомобильно-дорожная академия», д.т.н., доц.

Попов А.Ю. заведующая кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты» ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет», д.т.н., проф.

 

Негров Д.А., Новиков А.А., Мулюкова А.Р., Путинцев В.Ю.

Н-41 Полимерные и композиционные материалы.: учебное пособие/ Д.А. Негров, Омск: Изд-во ОмГТУ, 2017. –121 с.

ISBN

В учебном пособии рассмотрены различные виды композиционных материалов, их классификация, свойства и требования предъявляемые к ним.

Учебное пособие, содержит материал для самостоятельной работы студентов по дисциплине «Материаловедение» и «Полимерные и композиционные материалы». Предназначено для студентов, магистрантов и аспирантов, обучающихся по специальностям, связанным с проектированием оборудования и разработкой специальных технологий создания новых материалов.

УДК 534:691.175

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………………5

1 Определение композиционных материалов. 6

2 Классификация композиционных материалов. 8

2.1 Классификация КМ по материалу матрицы (материаловедческий принцип) 8

2.2 классификация матричных КМ по схеме армирования (конструкционный принцип) 9

2.3 Классификация КМ по методам получения (технологический принцип) 10

2.4 Классификация КМ по назначению (эксплуатационный принцип) 10

3 Компоненты, используемые при производстве композиционных материалов. 11

3.1 Классификация КМ по геометрии наполнителя. 11

4 Матричные материалы. 18

4.1 Композиционные материалы на металлической основе. 18

4.2 Полимерные матрицы.. 30

4.2.1  Керамические матрицы.. 35

5 Упрочнение волокнами. 41

5.1 Армирующие материалы и их свойства. 47

5.2 Стеклянные, кварцевые волокна. 50

5.3 Борные волокна. 61

5.4 Органические волокна. 63

5.5 керамические волокна. 66

5.6 Нитевидные материалы (усы) 67

6 Получение заготовок для полимерных композиционных материалов. 70

6.1 Получение препрегов с использованием порошковых дисперсных полимеров. 71

6.2 Получение сотовых конструкций. 72

7 ОБЪЕДИНЕНИЕ УПРОЧНЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ.. 74

8 Макромалекулы.. 79

8.1 Молекулярно-массовое распределение полимеров. 79

9 Гибкость полимерных цепей. 90

10  Этапы процесса кристаллизации. 93

11  Структура аморфных полимеров. 97

12  Аморфные и кристаллические полимеры.. 99

13  Структура и физические свойства политетрафторэтилена. 102

14  ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ДИСКРЕТНЫМИ ВОЛОКНАМИ.. 105

14.1 КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ.. 105

14.2 Принцип комбинирования компонентов композиционных материалов. 106

14.3 Выполнение правил комбинирования. 107

14.3.1 Конкретизация объектов проектирования. 107

14.3.2 Ограничения при проектировании композитов. 108

14.4 Стадии проектирования композитов. 109

14.4.1 Выбор, разработка структуры и рецептуры материала. 109

14.4.2 Выбор матричного материала КМ.. 110

14.4.3 Выбор армирующего материала КМ.. 112

14.5 Разработка рецептуры композиционного материала. 115

14.6 Разработка рациональной конструкции изделия из композита. 119

14.7 Уточнение стадий проектирования композиционного материала. 119

15  ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ К РАСЧЕТНОЙ РАБОТЕ. 120

 

Введение

 

Новейшие разработки в машиностроении, наноинженерии, авиастроении, энергетики и других отраслях промышленности с одной стороны порождают необходимость разработки новых материалов, а с другой, – в значительной степени обуславливается результатами этих разработок.

Новые материалы появляются в результате естественного стремления к совершенствованию существующих конструкций, а также открывают возможности для реализации новых конструкторских решений. Композиционные материалы стали объектом особого внимания сравнительно недавно, В 1939 году, хотя идея применения двух и более исходных материалов в качестве компонентов, образующих композиционную среду, существует с тех пор, как люди стали иметь дело с материалами.Так, даже самые первые кирпичи и гончарные изделия, появившиеся за 5000 лет до н. э. содержали измельченные камни или армирующую солому. Древние гончары регулировали даже пористость своих изделий. Упоминание о таких материалах содержится в древних летописях. Бурное развитие науки в Египте в 3000 – 2500 годах до н.э. дало людям египетские лодки (речные суда из тростника, пропитанного битумом), папирус (пропитанные смолой и спрессованные листы тростника), искусство мумифицирования (первый пример ленточной намотки – тело обматывали лентами из ткани и пропитывали природными смолами с образованием жесткого кокона). За 1000 лет до н. э. ассирийцы изготавливали понтонные мосты, используя плетеные лодки (гуфасы), пропитанные водостойкими битумами. В Индии использовали точильные камни из песка и природного лака – шеллака.

Вся история развития человечества связана с изобретением тех или иных композиционных материалов. В начале первого тысячелетия римляне изобрели бетон, сыгравший грандиозную роль в строительстве и развитии цивилизации. В прошлом веке были изобретены такие ПКМ как резина и пресс-материал на основе фенолформальдегидной смолы.

Итак, основная причина столь бурного развития полимерных композиционных материалов – это то, что традиционные «чистые» полимеры в значительной степени исчерпали свои возможности, а научно-технический прогресс требует материалы с новыми свойствами.

Понятно, что с ускорением научно-технического прогресса композиционные материалы занимали и занимают все большее место среди прочих материалов.

 

 

Определение композиционных материалов

 

Композиционные материалы (КМ) обладают комплексом свойств, отличающихся от традиционных конструкционных материалов, что и предопределило их успешное применение для совершенствования современных и разработки принципиально новых конструкций.

Композиционными называют материалы, состоящие из двух компонентов и более, объединенных различными способами в монолит и сохраняющими при этом индивидуальные особенности. Состоят КМ, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д.

Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Большинство композитов превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов уменьшает массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

Компоненты композита (рис. 1.1) различны не только по свойствам, но и по геометрическому признаку. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей. Второй, разделенный в объеме композиции, является армирующим (усиливающим) компонентом в виде мелкодисперсных порошков или волокнистых материалы различной природы.

Рис 1.1. Компоненты композита

 

Материалы матрицы и армирования не должны образовывать химических соединений и твердых растворов, а также должны быть близки коэффициенты линейного и объемного расширения этих материалов. Соблюдение последнего требования необходимо для того, чтобы обеспечить целостность материала при изменении температуры, так как при различии коэффициентов линейного расширения будут возникать термические напряжения, которые могут привести к разрушению. Матричным материалом могут быть металлы, сплавы, термореактивные или термопластичные полимеры, керамика или другие вещества.   

    Для того чтобы выделить композиционные материалы (КМ) и подчеркнуть их характерные особенности нужно учитывать, что к композитам относятся материалы, обладающие рядом признаков:

1. материал создан человеком и не встречается в природе;

2. состав, форма и распределение компонентов запроектированы заранее;

3. материал состоит из двух или более компонентов, разделенных выраженной границей и различающихся по химическому составу;

4. свойства материала определяются каждым из его компонентов;

5. материал обладает такими свойствами, которых не имеют его компоненты, взятые в отдельности;

6. материал неоднороден в микромасштабе и однороден в макромасштабе.

    Стоит сразу оговорить, что композиционные материалы создаются под выполнение заданных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, однако проектируя новый композит, исследователь волен задать ему характеристики, значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что композиционный материал не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия исследователь проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимальный вариант для производства.