Композиционные материалы (стр. 2 из 4)

3. Оценка матрицы и упрочнителя в формировании свойств композита

3.1. Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

3.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя 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 сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты. 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. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

4. Строительные материалы – композиты

4.1. Полимеры в строительстве

Говоря о применении новых материалов на основе пластиков в стройиндустрии, стоит заметить следующее. Если в гражданском строительстве в основном применяются «традиционные» материалы, то в таких секторах, как, строительства мостов, железных дорог, мостов и др., у полимерных композитов есть неплохие перспективы.

Строительство Строительство – это размытый термин, который включает в себя самые разные механические нагрузки, начиная с легких нагрузок, которым подвергаются щиты, корпуса, гнезда для защиты оборудования или звуконепроницаемых стен, и заканчивая сверхвысоким давлением, которое выдерживают опоры для мостов.

Для поиска решений, применимых в этих несхожих ситуациях, в гражданском строительстве применяются очищенные пластмассы или композиты:

- Обычно применяемые в легких строительных конструкциях.

- Периодически используемые в специализированных (нишевых) конструкциях - Предназначенные исключительно для крупных строительных конструкций, например, мостов.

На рисунке 1 изображено несколько примеров.

Рисунок 1: Строительные конструкции в гражданском строительстве.

В гражданском строительстве используются традиционные материалы, например бетон и сталь, для которых характерна низкая стоимость компонентов, но высокая стоимость обработки и установки, а также низкие возможности обработки. Результатом внедрения пластмасс может стать следующее:

- Сокращение итоговых расходов.

- Повышение производительности.

- Снижение веса.

- Увеличение возможностей при проектировании в сравнении с деревом и металлами.

- Устойчивость к коррозии.

- Простота обработки и установки.

- Определенные полимеры могут пропускать свет и даже быть прозрачными.

- Простота технического обслуживания.

- Изоляционные свойства.

С другой стороны, следует помнить о старении и механическом сопротивлении. Тем не менее, некоторые проекты, построенные в середине 1950х годов с использованием полиэстера, укрепленного стекловолокном, демонстрируют значительную долговечность.

Отрасль гражданского строительства относится к консервативным, и перед расширением использования пластмасс и композитов стоят такие барьеры, как:

- Слабая изученность и малый опыт работы с этими материалами в отрасли гражданского строительства.

- Сложность перенесения опыта, накопленного в других отраслях промышленности.

- Сложность выбора и оценки размеров этих материалов.

- Сложность взаимопонимания между представителями различных профессий, обладающими очень разными менталитетами.

- Мнение о пластмассах, сложившееся в обществе.

- Жесткие окружающие условия на месте строительства.

- Сложные условия применения, которые не совсем совпадают с практикой и квалификацией строителей.

Прогрессивный ответ пластмасс возрастающим требованиям строительства: от очищенных термопластов к ориентированным композитам с углеродными волокнами Композиты представляют особый интерес для строительной отрасли, так как им присущи высокие коэффициенты [производительность/вес/конечная стоимость].

Более того, возможность задания направления в композитном укреплении расширяет возможности при проектировании в сравнении со сталью.

В таблице 1 сравнивают несколько случаев, но также существуют и другие промежуточные решения.

Таблица 1: Примеры свойств от очищенных термопластов к однонаправленным композитам

Очищенные пластмассы и пластмассы, укрепленные коротким стекловолокном
Характеристика	Полиуретан, полученный усиленным реакционным инжекционным формованием	Полиметилметакрилат для звуконепроницаемых стен
Стекловолокно,%	15	0
Плотность, г/см3	1.14	1. 19
Прочность на разрыв, МПа	20 – 27	70 – 80
Растяжение при разрыве,%	75 – 200	5
Модуль изгиба, ГПа	0.7 – 1.2	3.3
Воздействие надреза по Изоду, Дж/м	160 – 430
Воздействие надреза по Изоду, кДж/м2	-	1.6
Термореактивная пластмасса, усиленная стекловолокном, для BMC (стеклонаполненный премикс для прессования) и SMC (листовой формовочный материал)
Характеристика	BMC		SMC
Вес стекловолокна	10 – 20		25 – 30
Плотность, г/см3	1.7. – 2		1.7. – 1.9
Прочность на разрыв, МПа	30 – 40		48 – 110
Растяжение при разрыве,%	-		1.6. – 2
Модуль изгиба, ГПа	5 – 11		6 – 16
Воздействие надреза по Изоду, Дж/м	260 – 400
Эпоксидная смола, усиленная однонаправленным углеродным волокном
Вес углеродного волокна,%	65
Плотность, г/см3	1.5. – 1.7
Прочность на разрыв, МПа	1,500 - 3,000
Растяжение при разрыве,%	0.5 – 1.7
Модуль изгиба, ГПа	100 – 400

На рисунке 2 приведена схема роста механической эффективности в соответствии с армированием полимера.