ис.1.3. Структура вуглецевого волокна: зона,1 - мікрофібріли, 2 - аморфний вуглець.
Борні волокна — композити на основі борних волокон мають високий модуль пружності та високу міцність на стискання і розтяг, вони являють собою суцільні моноволокна, неоднорідні за структурою та анізотропні за властивостями, діаметром 5 - 200мкм. Традиційним методом їх отримання є хімічне осадження при температурі до 1400К із суміші газів на вольфрамову підкладку у вигляді ниток.
Волокна бору, покриті тонким шаром карбіду кремнію, називають "борсиком".
Волокна виробляють як у вигляді напівфабрикату, так і на бабінах. Вони знаходять широке застосування з матрицями на основі полімерів та алюмінію. Композиційні матеріали з волокон бору та матриці з алюмінію мають багато переваг: вони працюють при температурі до 640К та переробляються на звичайному технологічному обладнанні.
Волокна карбіду кремнію, як правило, застосовуються в металокомпозитах, які експлуатуються при високих температурах. Карбідокремнієві волокна на вуглецевій основі мають мелкозерністу будову (розмір зерен 0,5 – 1,0мкм), вуглецевий сердечник слабо зв'язаний з шаром карбіду кремнію (в зв'язку з відсутністю зони дифузійної взаємодії).
Металеві волокна або дроти є найбільш економічним і ефективним армуючим матеріалом. Для конструкційних композитів, які експлуатуються при низьких та помірних температурах, використовують сталеві і берилієві дротяні волокна; для композитів, які використовують при помірних та високих температурах - вольфрамові та молібденові.
1.4. Методичні вказівки
Дана робота виконується студентами відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки. Студенти роздивляються стенди та зразки композиційних матеріалів, визначають компоненти, з яких виготовлені дані матеріали, результати своїх досліджень оформляють у вигляді протоколу.
1.5. Зміст протоколу
1. Назва роботи.
2. Мета роботи.
3. Ескізи досліджуваних зразків та опис їх структури. Занести в протокол рисунки з розділу « Загальні відомості».
4. Висновки по виконаній роботі.
1.6. Питання для самоперевірки
1. Які матеріали називають композиційними?
2. Які характерні ознаки композиційних матеріалів?
3. Що таке матриця і армуючий компонент?
4. Як класифікують композиційні матеріали?
5. Від чого залежить назва КМ?
6. Які властивості мають КМ з вуглецевою матрицею?
7. Які властивості мають КМ з металевою матрицею?
8. Яку форму перетину мають скляні волокна?
9. Які властивості борних волокон?
10. Що є вихідним матеріалом для вуглецевих волокон?
11. Що таке "борсик"?
12. 3 яких матеріалів виготовляють металеві волокна?
13.Яку роль відіграють матриці у волокнистих і дисперснозміцнених композиційних матеріалах?
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2
Визначення концентрації фаз полімерних композиційних матеріалів (ПКМ)
Мета роботи: ознайомитися зі структурою різних видів композиційних матеріалів (КМ), практично визначити фазовий склад армованого пластику за об'ємом планіметричним, лінійним і точковим методами.
2.1. Прилади та матеріали
1. Шліфи полімерного композиційного матеріалу.
2. Інструменти і матеріали для виконання роботи (масштабна лінійка, шліфувальний папір, пінцет, вата, проточна вода).
3. Окуляр-мікрометр з поділками.
2.2. Порядок виконання роботи
1. Вивчити макроструктури зразків армованих пластиків неозброєним оком і за допомогою мікроскопу.
2. Зарисувати і описати структуру зразків; визначити з якого матеріалу вони виготовлені.
3. Визначити концентрацію фаз (волокон і матриці) ПКМ за допомогою
окуляр-мікрометра одним з методів.
4. Оформити результати досліджень та скласти протокол.
2.3. Загальні відомості
Визначення концентрації фаз полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) базується на аналізі мікроструктур ПКМ. Головним принципом, покладеним в основу цих методів є те, що відносний склад фази за об'ємом в багатофазній системі дорівнює відносній частці площі, яку займає ця фаза в довільному плоскому перетині зразка; або відносній частці фази на довільній лінії, яка проходить через зразок КМ; або частці безладно розташованих точок, які попадають в границі даної фази. В зв'язку з цим розрізняють: планіметричний, лінійний і точковий методи визначення фазового складу КМ за об'ємом.
Точковий метод застосовується для визначення об'ємної частки дисперсних мікроструктурних складових, а лінійний - для більш грубих. В армованих КМ для визначення і об'ємної частки армуючої фази (Vf), і об'ємної частки матриці (Vm) використовують поперечні шліфи. Точковий і лінійний методи можуть бути автоматизовані. Для мікроструктурного аналізу КМ і визначення їх складу широко застосовують прилади типу "Квантимет", "Класимат", "Відеомат", які дозволяють вимірювати декілька десятків полів за 1 хв і автоматично видавати необхідні дані, визначені з допомогою ЕОМ.
2.4. Методичні вказівки
Дана лабораторна робота виконується фронтально. Студенти одержують зразки ПКМ і визначають концентрацію фаз у кожному з них. Підрахунки проводяться у відповідності з даними методичними вказівками та [3], [4], [5].
Планіметричний метод базується на вимірюванні площі, яку займає досліджувана фаза на плоскому перерізі (або шліфі) КМ (рис.2.1).
Рис.2.1. Схема підрахунку сумарної площі мікрочастинок всередині квадратного контуру (1 – включення, 2 – матриця)
Об’ємна частка Vі фази ірозраховується за формулою:
Vі = Sі /S,
де Sі – площа, яку займає фаза і; S– вся досліджувана площа.
Площа вимірюється різноманітними способами – з допомогою планіметра; вирізанням площі, яку займає досліджувана фаза на мікрофотографії і зважуванням відрізків фотопаперу і т.д.
Найбільш простим способом є візуальне порівняння мікрофотографій з набором еталонних карт, але він дає низьку точність і результати аналізу повністю залежать від дослідника.
Враховуючи можливу неоднорідність структури КМ, для одержання достатньо надійних результатів потрібно використовувати велику кількість мікрофотографій. Через велику трудоємність планіметричний метод широкого застосування не одержав.
Лінійний метод використовує рівність між об'ємною часткою фази і часткою довжини січної лінії, яка проходить через цю фазу на шліфі. Метод зводиться до вимірювання і сумування довжин відрізків січної лінії, яка проходить через дану фазу, на відповідній довжині січної лінії (рис.2.2).
Рис. 2.2. Схема визначення об'ємної частки фази включення лінійним методом при нерухомому шліфі (1-включення, 2-матриця)
Об'ємна частка фази і визначається за формулою:
Vі = Lі /Lс,
де Lі - сумарна довжина відрізків випадкової січної лінії, яка проходить через ділянку фази "і"; Lс - повна довжина січної лінії, яка проходить через досліджуване поле.
Січна лінія повинна пересікати структуру, яка характерна для всього зразка, і тому її довжина повинна бути достатньо великою. Наприклад, для шліфа, який зображено на рис.2.2, сумарна довжина відрізків січної лінії, які лежать на фазі "і", складає 42 поділки (12+2+19+9), а довжина всієї осьової лінійки окуляр-мікрометру - 100 поділок.
Об'ємна частка фази "і" в КМ дорівнює 0,42 або 42%. Виміри повторюються декілька разів і результат підрахунків усереднюється.Якщо кількість фаз в КМ більше двох, вимірюються і сумуються довжини відрізків, які перетинають кожну з них окремо. В результаті одержують частки об'єму всіх фаз. Точність лінійного методу залежить від числа ділянок фази, які попадають на січну, і об'ємної частки цієї фази. Для визначення кількості перетнутих ділянок Nі, необхідних для одержання заданої середньоквадратичної похибки при заданій частці фази, користуються номограмою (рис.2.3). Для того, щоб визначити похибку вимірювань, потрібно прикласти лінійку поперек трьох шкал і знайти похибку, яка пов'язана з даною кількістю перетнутих ділянок даної об'ємної частки Vі фази.
Точковий метод базується на тому, що частка для безладно нанесених на мікрофотографію точок, які попадають на зображення досліджуваної фази, дорівнює об'ємній частці цієї фази. На практиці частіше застосовують упорядковану систему точок (сітку з крупними комірками), допускаючи, що структурні складові розподілені хаотично (рис.2.4). При цьому потрібно враховувати, що відстань між вузловими точками повинна бути більшою, ніж розмір досліджуваних фаз. Об'ємна частка фази "і" обчислюється за формулою:
Vі = Nі / N,
де N і- число точок, які знаходяться на ділянці фази "і"; N - загальне число точок, нанесених на зображення.
Рис.2.3. Номограма для визначення точності лінійного аналізу
Рис. 2.4. Схема визначення об'ємних часток фаз 1 і 2 точковим методом шляхом накладання квадратної сітки з 117 вузловими точками (1 - включення, 2 - матриця)
При малих концентраціях фази в деяких полях зору на неї може не потрапити жодної вузлової точки. В такому випадку число вузлових точок сітки, помножене на число таких "пустих" полей зору, обов'язково повинно ввійти в загальну кількість точок, які використали в процесі аналізу. Число точок, які потрапили в дану фазу, треба розділити на загальну кількість точок, щоб вичислити об'ємну частку фази. Наприклад, при визначенні частки фази включень, зображених на рис.2.4, використовували сітку з 25 вузловими точками. При вивченні 100 полей зору в 90 полях на досліджуваній фазі вузлових точок немає, а в інших 10 полях на неї потрапили 13 вузлових точок. Частка цієї фази обчислюється, як відношення 13 до загального числа точок, які використовували при аналізі, тобто 100х25=2500. Вона дорівнює: 13/2500 х І00=52%. Співвідношення між загальним числом точок N, об'ємною часткою фази Vі і середньоквадратичною помилкою визначення об'ємної частки і, може бути встановлено з допомогою номограми (рис.2.5).
Результати вимірювань заносяться в протокол.
2.5. Зміст протоколу
1.Назва роботи.
2.Мета роботи.
3.Описання методики визначення концентрації фаз ПКМ.
4.Експериментальні дані визначення концентрації фаз оформити у вигляді таблиці 2.1.
5.Висновки по виконаній роботі.
Рис.2.5. Номограма для визначення точності точкового аналізу
Таблиця 2.1 – Результати виконання роботи
| Матеріал зразка | Точковий метод | |||
| Ni | N | Vі | vі | |
2.6. Питання для самоперевірки
1. Якими методами визначається склад композиційного матеріалу?
2. На якому принципі базується планіметричний метод визначення кон-
центрації фаз КМ?
3. До чого зводиться лінійний метод визначення фазового складу КМ?
4. Як користуватися номограмою для визначення точності лінійного аналізу?
5. Якою формулою користуються для визначення об'ємної частки фази точковим методом?
6. Який метод застосовують для визначення об'ємної частки дисперсних мікроструктурних складових?
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3
Визначення водопоглинання жорстких чашечкових пластмас
Мета робоки - ознайомитись з методом визначення водопоглинання пінопласту ПСС 1-4.
3.1. Прилади та матеріали
1. Терези з точністю зважування не більше 0,01г, які дозволяють проводити гідростатичне зважування до 200г,
2. Вода дистильована за ГОСТ 6709-72.
3. Ємність циліндрична діаметром 120мм і висотою 240мм.
4. Плівка поліетиленова за ГОСТ 10354-73.
5. Прилад для виміру зразків з точністю не більш 0,1мм (штангенциркуль, мікрометр).
6. Рамка (корзина) прямокутна з нержавіючої сталі за ГОСТ 5632-72 для витримки зразків у воді і гідростатичного зважування (щоб виключити вспливання зразків, до рамки прикріпляють груз масою 125г) (див. рис.3.1).
орядок виконання роботи
1. Ознайомитись з методом визначення водопоглинання жорстких чашечко-вих пластмас.
2. Визначити розміри і масу зразків з пінопласту.
3. Обчислити водопоглинання пінопласту по відношенню до початкового об'єму (Wv) та початкової поверхні (Ws).
4. Оформити результати досліду і скласти протокол.
3.3. Загальні відомості
Суть даного методу полягає у вимірюванні кількості води, яка поглинається досліджуваним зразком, гідростатичному зважуванні зразка після перебування його на протязі заданого часу в дистильованій воді при 20±2°С і нормальному тиску.
Для проведення дослідження використовують зразки у вигляді куба з ребром 50±0,5мм. При товщині матеріалу менше 50мм допускається використовувати зразки висотою не менше 15мм. В цьому випадку товщина зразка повинна бути вказана в протоколі досліджень.
Зразки повинні мати рівну поверхню без видимих дефектів чашечкової структури і механічної обробки. Перед дослідженням зразки кондиціонують на протязі 24год. при 20±2°С.
3.4. Методичні вказівки
Дана лабораторна робота виконується фронтально. Визначення проводять у відповідності [3] та даними методичними вказівками. Студенти одержують зразки композиційного матеріалу і виміряють лінійні розміри, визначають початковий об'єм та повну геометричну поверхню зразків.
Зразки поміщають в дротяні рамки (рис.3.1) і опускають у відкриту ємкість з дистильованою водою так, щоб відстань між поверхнею води і верхньою гранню зразка складала 50мм.
