ис.1.2. Форма перетину скляних волокон: коло 1; порожні волокна; шестикутник 3; квадрат 4; трикутник 5; прямокутник 6.

орядок виконання роботи

1. Вивчити принципи класифікаціі композиційних матеріалів.

2. Ознайомитись із стендами.

3. Зарисувати та описати структури зразків, визначити матеріал та метод одержання композиту.

4. Оформити результати досліджень і скласти протокол.

 

1.3. Загальні відомості

Композиційні матеріали ( КМ ) - гетерофазні системи, одержані з двох або більше компонентів із збереженням індивідуальності кожного окремого компоненту. Згідно [ 1 ], [2] для композиційних матеріалів характерні наступні ознаки:

1). склад і форма компонентів матеріалу визначені заздалегідь;

2). компоненти присутні в кількості, яка забезпечує задані властивості матеріалу;

3). матеріал є однорідним в макромасштабі і неоднорідним в мікромасштабі (компоненти відрізняються своїми властивостями, між ними існує межа розділення);

В більшості випадків компоненти композиції розрізняються за геометричною ознакою. Один з компонентів, який є безперервним по всьому об'єму, називають матрицею, компонент преривчатий, розділений в об'ємі, називають aрмуючою фазою.

Матричними матеріалами можуть бути метали і їх сплави, органічні та неорганічні полімери, кераміка та інші речовини. Армуючими елементами частіше всього є тонкодисперсні порошкоподібні частинки або волокнисті матеріали різної природи.

В залежності від виду армуючого компоненту композити діляться на дві основні групи: дисперсно-зміцнені та волокнисті, які відрізняються структурою та механізмами утворення високої міцності.

Дисперсно-зміцнені композити - це матеріал, в матриці якого рівномірно розподілені тонкодисперсні частинки іншої речовини. В таких матеріалах при навантаженні все навантаження сприймає матриця, в якій за допомогою великої кількості нерозчинених в ній частинок іншої речовини утворюється дислокаційна структура, яка має низьку пластичність, а значить високу міцність та жорсткість.

У волокнистих композитів матриця ( частіше всього пластична ) армована високоміцними волокнами, дротом, ниткоподібними кристалами. В цих матеріалах все навантаження сприймають волокна, а матриця перерозподіляє навантаження між волокнами.

Головною перевагою композитів є можливість утворювати з них елементи конструкцій з заздалегідь заданими властивостями, які найбільш повно відповідають характеру та умовам роботи. Різновидність волокон і матричних матеріалів, а також схем армування, які використовуються при утворенні композитів, дозволяє спрямовано регулювати міцність, жорсткість, рівень робочих температур та інші властивості шляхом підбору складу, змін співвідношення між компонентами макроструктури композиту.

Для композиційних волокнистих матеріалів існує декілька класифікацій, в основу яких покладено різні ознаки, наприклад, матеріалознавчий (за природою армуючого компоненту та матриці); конструктивний ( за типом арматури та її орієнтації в матриці). У вищезгаданих класифікаціях може буги виділено декілька груп композиційних матеріалів. До таких груп слід віднести композити з полімерною матрицею ( пластики ), композити з керамічною матрицею і матрицею з вуглецю.

В залежності від природи армуючих волокон розрізняють, наприклад, наступні композити з полімерною матрицею:

- вуглепластики;

- боропластики;

- органопластики;

- склопластики і т.д.

Назви полімерних КМ складаються з двох частин: В першій — вказується на матеріал волокна, другою є слово "пластик" або "волокніт". Наприклад, ПКМ, армований скляними волокнами, називають склопластиком або скловолокнітом, металевими — металопластики (металоволокніти) і т.і.

Для металевих та неорганічних КМ використовують подвійне позначення: на початку пишугь матеріал матриці, потім матеріал волокна. Наприклад, позначення Си-W відноситься до КМ з мідною матрицею з вольфрамовими волокнами; АІ₂О₃-М0 до КМ на основі АІ₂О₃ з арматурою з молібденових волокон.

Існують аналогічні за назвами композити і на інших матрицях. На рис.1.1. представлена класифікація композитів за конструктивними ознаками.

Рис. 1.1. Класифікація композитів за конструктивною ознакою

 

Властивості композитів залежать не лише від властивості волокон та матриці, а і від способу армування. Розрізняють композити, утворені з шарів, армованих паралельними безперервними волокнами; тканинами (текстоліти); з хаотичним армуванням та армуванням в просторі.

Частіше для армування матриці з синтетичних смол використовують скляні, вуглецеві, органічні, борні волокна та волокна карбіду кремнію.

В якості армуючих елементів при утворенні композитів на основі металевих матриць використовують тонкі дроти зі сталі, вольфраму, берилію, титану та інших металів.

Скляні волокна широко застосовуються при утворенні склопластиків. При порівняно малій густині (2,4 - 2,6 /10³ кг/м³) вони мають велику міцність, малу теплопровідність, теплостійкі, стійкі до хімічної та біологічної дії.

Форма перетину (рис.1.2 ) скловолокна буває різна - коло 1, порожні волокна 2 і профільовані з формою у вигляді шестикутника 3, квадрату 4, трикутника 5, прямокутника 6.

Скляні волокна застосовують в якості армуючих елементів композитів у вигляді жмутів та ниток з елементарних волокон, стрічок, тканин різного плетіння, матів, полотен та інших нетканих матеріалів.

ис.1.2. Форма перетину скляних волокон: коло 1; порожні волокна; шестикутник 3; квадрат 4; трикутник 5; прямокутник 6.

 

Органічні волокна (на основі ароматичних поліамідів) застосовують для одержання високоміцних і високомодульних композитів з полімерною матрицею (органопластиків).

Високомодульні і високоміцні арамідні волокна мають унікальний комплекс властивостей: високі міцність при розтязі і модуль пружності, термостабільність, яка дозволяє експлуатувати їх в широкому інтервалі температур, хороші діелектричні властивості, незначну повзучість. Завдяки малій густині арамідні волокна за питомою міцністю перевершують всі відомі на сьогодні армуючі волокна та металеві сплави, поступаючись за питомим модулем пружності вуглецевим та борним волокнам.

Вуглецеві волокна мають комплекс цінних, а по ряду показників унікальних механічних і фізико-хімічних властивостей. Вуглецевим волокнам характерна велика теплостійкість, малі коефіцієнти тертя та термічного розширення, велика стійкість до впливу атмосфери і хімічних реагентів, різні електрофізичні властивості (від напівпровідників до провідників). Вони можуть мати дуже розвинену поверхню (1000-2000 м²/г).

Вуглецеві волокна поділяють на карбонізовані (температура термообробки 1173-2273К, вміст вуглецю 80-90%) і графітизовані (температура термообробки до 3273К, вміст вуглецю вище 99%).

Існує два основних типи вихідних матеріалів для отримання вуглецевих волокон: хімічні волокна, віскозні або поліакрилонітрильні волокна (ПАН) і вуглецеві пеки, ГЦ-волокна.

Характерна риса вуглецевої структури - закриті пори, які можуть займати до 33% волокна. Пори мають голкоподібну форму та орієнтовані вздовж волокна. Середня довжина пор досягає 0,02 - 0,03мкм, діаметр біля 0,001 - 0,003мкм (рис.1.3). Підвищення кількості пор веде до втрати міцності на розтяг.