Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Композиционные материалы

• Композиционные материалы — это многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, керамической, углеродной или другой матрицы, армированной волокнистыми (волокна, нитевидные кристаллы), слоистыми (пленки, ткани, пластины, войлок) и дисперсными элементами.

В последние два десятилетия в качестве армирующих наполнителей все чаще используют наночастицы. Подобный класс материалов обозначают как «нанокомпозиты». Подробнее о наиоматериалах будет сказано в параграфе 7.3.

Требуемый комплекс эксплуатационных свойств достигается путем подбора состава и характеристик матрицы и армирующего компонента, их соотношения, а также размера, конфигурации, геометрии и ориентации армирующих элементов. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиты) и (или) армирующих элементов (гибридные композиты) значительно расширяет возможность регулирования параметров конечного композиционного материала.

«Эра композитов» началась с середины XX в., когда были получены стеклянные волокна диаметром 2,5—5 мкм, обладающие небывалой прочностью. Эффект увеличения прочности волокна при уменьшении его диаметра связывают с тем, что при такой малой толщине эти волокна практически лишены дефектов. Позже такие же результаты были достигнуты для нитевидных кристаллов на основе А12Оэ, BeO, SiC, A1N, графита и т.д. Естественно, сразу же возникла проблема изготовления монолитного изделия с использованием подобных сверхвысокопрочных элементов. Для решения этой задачи волокна заливали в полимерную матрицу на основе фенолформальдегидных и эпоксидных смол.

Этот принцип приготовления композиционного материала используется и в настоящее время. Матрица обеспечивает монолитность композиционного материала, передачу и распределение механического напряжения в армирующем элементе, а также определяет теплопроводность, термо-, огне- и атмосферосгойкость, стойкость к агрессивным средам и т.п. При этом нельзя исключать из рассмотрения и роль матрицы в формировании комплекса конструкционных свойств композита. Например, при использовании в качестве армирующих элементов однонаправленных волокон матрица отвечает за механический отклик композиционного материала при деформациях изгиба и сжатия, а высокопрочные волокна обеспечивают сопротивление механическому воздействию при деформации растяжения.

Таким образом, в композите реализуется своеобразное «разделение труда». Каждый элемент конструкции при определенных условиях эксплуатации выполняет конкретную функцию, в результате чего композиционный материал обладает комплексом свойств, недостижимым для индивидуальных компонентов. Остановимся более подробно на композиционных материалах, в которых матрицей служит полимер. Подобные композиты получили название «армированные пластики».

В качестве матрицы для армированного пластика используют практически весь ассортимент пластических масс: эпоксидные, фенолформальдегидные и полиэфирные смолы, кремнийорганические полимеры, (метакрилаты, полиамиды, полиимиды, фторопласты и т.н. В зависимости от химической природы армирующего элемента различают:

  • стеклопластики (наполнитель — стекловолокно);
  • боропластики (наполнитель — борное волокно);
  • асбопластики (наполнитель — асбестовое волокно);
  • углепластики (наполнитель — углеродное волокно) и др.

Армированные пластики, в которых армирующим элементом является волокно, называют волокнитами, ткань — текстолитами, бумага — гетинаксами.

По характеру ориентации волокон различают однонаправленно, перекрестно и пространственно армированные пластики.

Армированные пластики характеризуются ярко выраженной анизотропией свойств, обусловленной заметными различиями в физико-механических характеристиках матрицы и армирующего элемента, а также характером распределения и геометрией последнего. Наиболее отчетливо анизотропия свойств проявляется в случае композитов, усиленных однонаправленными волокнами. Наблюдаемую анизотропию регулируют, меняя содержание волокон и их взаимное расположение в конечном изделии. Широкие возможности для такого регулирования предоставляет использование гибридных материалов, сочетающих армирующие компоненты различной природы, например стеклянные, борные и полимерные волокна, а также нитевидные монокристаллы.

В последние десятилетия все большее значение приобретают иолимер- полимерные композиты, в которых и матрица, и усиливающий элемент имеют полимерную природу. Это позволяет в первую очередь значительно снизить вес конструкции без потери прочности, что чрезвычайно актуально для авиакосмической техники. Наиболее ярким примером воплощения этого подхода служат углерод-углеродные композиты, для которых в качестве матрицы используют углеродный пластик, а в качестве усиливающего компонента — углеродные волокна. Плотность таких композиционных материалов не превышает 1,6 г/см3, а по прочности и термостойкости они способны конкурировать с лучшими сортами стали. Отметим, что углеродные композиты нашли применение и в медицине в качестве материала для протезирования, так как они обладают высокой совместимость с кровыо и тканями и не отторгаются организмом.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>