книги / Материаловедение. Технология композиционных материалов. Материаловедение

Таким образом, в композиционных материалах разнород­ ные компоненты создают синергетический эффект - новое ка­ чество материала, отличное от свойств исходных компонентов. И для композита с неориентированными короткими волокнами, исходя из правила аддитивностьt22 свойств волокон и матрицы, можно вывести следующие математические зависимости:

Если содержание волокна VDи матрицы Уыдано в долях от объема композита, принятого за единицу, то:

FB+ F M=1;

F„=1-FB.

Осевое растягивающее усилие РКМ9воспринимаемое компо­ зитом, распределяется между двумя компонентами: волокном Рь и матрицей Рм:

Ркм= Ра +Рм-

Отсюда получим распределение напряжений в волокнистом композите:

стк.м= ствFB+ aM( l - F B).

В пределах упругой работы материала, согласно зако­ на Гука:

ак.м= 8В• Ей• FB+ бм• Ем• (1 - FB).

Так как композит работает, как единый материал, то есть отсутствует проскальзывание волокна в матрице, поэтому отно­ сительные деформации композита под нагрузкой sK.M>волокна ев и матрицы ем равны между собой:

8к.м “ 8В ~ £м 6.

Учитывая условие цельности композита, получим уравне­ ние прочности волокнистого композита RKM в следующей форме:

22 Аддитивность (правило смесей) - свойство, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сум­ ме значений величины его частей.

Л к .м = [ £ в К в + £ м- 0 - П ) ] - е .

Тогда продольный модуль упругости волокнистого компо­ зита Екмможно записать в виде:

Я™ = Ем*VM+ Ев• VB.

Вотличие от волокнистых композиционных материалов,

вдисперсно-упрочненных композитах матрица является основ­ ным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тор­ мозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достига­ ется у дисперсных частиц при размере 10-500 нм, расстоянии между ними 100-500 нм и равномерном распределении этих частиц в матрице. Зависимость прочности и жаростойкости от процентного содержания дисперсного наполнителя не подчиня­ ется закону аддитивности. В дисперсно-упрочненных компози­ тах содержание «второй фазы» для различных материалов не­ одинаково (5-70 %), но обычно в конструкционных композитах оно не превышает 5-10 %.

Вконструкционных композитах главное - это высокая прочность, превышающая аналогичную характеристику гомоген­ ной системы в несколько раз, высокий модуль упругости, коэф­

фициент жесткости (Е/р) и пониженная склонность к трещинообразованию. То есть применение композиционных материалов по­ вышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее материалоемкости, например, 1 т композита может заменить тео­ ретически 15-25 т, а практически 4-5 т стали (табл. 3.3).

				Т а б л и ц а 3.3
	Удельная прочность (ККК) материалов при растяжении
		Прочность		Прочность
	Материал	на единицу	Материал	на единицу
		плотности		плотности
		(£КК)106,см		(ККК)-\06, см
	Сталь	1,88	ПКМ стеклово-	117
			локнит
	Алюминиевый	1,52	ПКМ стекло­	31,2
	сплав		ткань

Особенностью композиционных материалов является их малая скорость разупрочнения во времени с повышением тем­ пературы.

С учетом повышенных эксплуатационных характеристик КМ в 4-5 раз меньшей плотности, более высоких конструкци­ онных качеств, в 2-3 раза большего выхода продукции из I т сырья - производство композиционных материалов в мире рас­ тет, а производство традиционных конструкционных материа­ лов (стали, чугуна, древесины) падает.

3.3. Принципы классификации23

Классифицируют КМ по следующим основным признакам: материалу матрицы и структурирующему компоненту, геомет­ рии компонента, структуре и расположению компонентов, ме­ тоду получения. Иногда КМ разделяют по назначению, но так как одни и те же КМ могут иметь различное назначение, то этот принцип классификации используется редко. Полная характери­ стика КМ должна содержать все указанные признаки, на прак­ тике же обычно ограничиваются одним или двумя из них.

Общее название КМ, как правило, происходит от материала матрицы. КМ с металлической матрицей называются металли­ ческими КМ, с полимерной матрицей - полимерными КМ (ПКМ), с неорганической - неорганическими КМ (например, цементный КМ, гипсовый КМ). КМ, содержащий два или более по составу или природе матричных материала, называется полиматричным.

23 В строительном материаловедении существует две классифи­ кации: старая, традиционная и новая классификация материалов, раз­ работанная при создании теории композитов. Поэтому часть строи­ тельных материалов называется традиционно (например, бетоны), а материалы, разработанные в последние десятилетия (например, пла­ стмассы), носят название согласно классификации КМ. Кроме того, существует система торговых названий материалов, когда производя­ щая материал фирма пытается скрыть состав и технологию производ­ ства КМ.

Характеристика КМ по материалу матрицы и арми­ рующих элементов указывает на их природу. Название поли­ мерных КМ состоит обычно из двух частей: в первой указывает­ ся материал волокна, второй является слово «пластик» или «волокнит». Например, ПКМ, армированные стекловолокнами (СВ), называются стеклопластиками или стекловолокнитами; металлическими волокнами - металлопластиками (металловолокнитами); органическими волокнами - органопластиками (органоволокнитами); волокнами древесины - древесноволок­ нистыми пластиками; углеродным волокном (УВ) - углепласти­ ками (углеволокнитами); асбестовыми - асбопластиками (асбоволокнитами) и т.д.

Всоответствии с геометрией структурирующих элемен­ тов (порошки или гранулы, волокна, пластины) КМ делятся на порошковые, гранулированные, волокнистые, пластинчатые.

Всоответствии с классификацией КМ по структуре и рас­ положению структурирующих компонентов композиционные материалы разделяются на группы с каркасной структурой, мат­ ричной, слоистой и комбинированной. К КМ с каркасной струк­ турой относятся железобетон, бетонополимеры, полученные ме­ тодом пропитки; с матричной - двухосно-армированные (ДКМ)

иволокнисто-армированные материалы; со слоистой - компози­ ции, полученные путем набора чередующихся фольг или листов материалов различной природы или состава; комбинирован­ ные - материалы, содержащие комбинации первых трех групп.

КМ с матричной структурой могут быть армированы эле­ ментами, имеющими хаотичную ориентацию в пространстве (дисперсными включениями, дискретными или непрерывными волокнами). КМ с матричной структурой, упрочненные арми­ рующими элементами, ориентированными определенным обра­ зом в пространстве, относятся к упорядоченно-армированным. Они подразделяются на одноосно-армированные или однона­ правленные (с плоскостным расположением арматуры) и трех­ осно-армированными (с объемным расположением арматуры).

Всоответствии с классификацией по методам получе­ ния КМ подразделяются на полученные жидко- и твердофазны­ ми методами, методами осаждения-напыления и комбинирован­

ными методами (здесь указаны только главные технологические приемы, обеспечивающие окончательное формирование мате­ риала). К жидкофазным методам относятся формование литьем или под воздействием вибрации, пропитка (например, пропитка бетона или арматуры полимерами), направленная кристаллиза­ ция расплавов (например, ситаллов, сплавов).

К твердофазным методам относят прессование, прокатку, экструзию, ковку, штамповку, диффузионную сварку, волоче­ ние, уплотнение взрывом и другие динамические методы.

Для КМ, полученных твердофазными методами, характер­ но использование матрицы в виде порошка или тонких листов. Армированные КМ, матрица которых в исходном состоянии представляет собой тонкие листы, а вся заготовка - набор чере­ дующихся слоев матрицы и армирующих элементов, уложенных в заданной последовательности, в литературе иногда называют «композициями типа сандвича».

При получении КМ методами осаждения-напыления мат­ рица наносится на подложку, волокна из растворов солей или других соединений (шликеров), из парогазовой фазы, из плазмы ит.п.

Комбинированные методы заключаются в последователь­ ном или параллельном применении нескольких методов полу­ чения КМ. Например, при изготовлении керамической плитки сырье перерабатывают сначала твердо- и жидкофазным метода­ ми, формуют плитку чаще твердофазным методом, а покрывают глазурью или ангобами жидкофазным методом.

3.4, Перспективы использования композитов в строительстве

Простота переработки и разнообразие свойств композици­ онных материалов в сочетании с различными технологическими процессами деталей из них, изделий и конструкций предостав­ ляют конструкторам широкие возможности в сравнении с ме­ таллами, древесиной и горными породами. Кроме того, техноло­ гия получения композитов позволяет утилизировать различные отходы переработки материалов: например, при производстве

древесного погонажа (бруса, досок и т.д.), начиная с рубки де­ рева, остается до 70 % древесных отходов, которые можно пере­ работать в различные композиционные материалы.

Существенным препятствием для роста производства ком­ позитов является то, что до сих пор имеет место повсеместное использование стального проката. В основном это связано с инертностью мышления конструкторов, не доверяющих на­ дежности новых материалов. Надежность новых материалов оп­ ределяется во многом методиками оценки их качества.

Хотя полимерные КМ, как правило, менее жесткие, детали

иузлы из них можно легко спроектировать так, что они по сво­ им функциональным качествам не будут уступать штампован­ ным из листовой стали. Ими можно заменить отливки, поковки

ипрессованные металлические профиля. При этом снижается масса композита, повышается его коррозионная стойкость, а за­ частую также ударопрочность и выносливость. Области приме­ нения ПКМ определяются их свойствами (табл. 3.4).

			Т а б л и ц а 3.4
Сравнительные свойства гомогенных
и композиционных материалов
	Композиты		Гомогенные
			материалы
Свойство		Углеродные
	Слоистые
			Алюминий	Сталь
	пластики	композиты
		CarboDur
Плотность, кг/м3	1400-2000	1500-1600	2750	7850
Предел прочно­ 70-340		1450-3000	40-185	200-230
сти при растяже­
нии, МПа
Относительное	1-2	0,45-1,70	30-40	38-40
удлинение при
разрыве е, %
Модуль упруго­	5,5-30,0	165-300	70	205
сти при растяже­
нии Е, ГПа

	Композиты		Гомогенные
			материалы
Свойство		Углеродные
	Слоистые
			Алюминий	Сталь
	пластики	композиты
Предел прочно­		«CarboDur»
	70-375		62	195
сти при сжатии,
МПа
Предел прочно­	135-445		135	205
сти при изгибе,
МПа
Модуль упруго­	5,5-14,0		70	190-205
сти при изгибе,
ГПа
Ударная вяз­	267-1600		1335	2403
кость, Дж/м	50-160
Теплостойкость
при непрерывном
нагреве, °С	отличная
Стойкость к кис­
лотам и щелочам	от плохой до отличной
Стойкость к рас­
творителям	от хорошей до отличной		корроди­	ржавеет
Атмосферостой-
кость			рует	11-18
Температурный	18,0-32,5		21,5-23,5
коэффициент ли­
нейного расшире-

НИ Я - С С /- К Г 6 , °С-1

Встроительстве ПКМ используются в зависимости от по­ казателей качества в элементах сборных конструкций, опалубке для отапливаемых бетонных сооружений, коррозионно-стойких материалах, изделиях и конструкциях (окнах, дверях, фасадах зданий, ненесущих стенах, панелях для крыш, водосточных

и канализационных трубах, желобах, мойках, душах, ванных), элементах конструкций для плавательных бассейнов, коррози­ онно-стойком оборудовании и т.д.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое матрица и структурирующий компонент («вторая фаза»)? Какова их роль в композитах?

2.Какие материалы могут выполнять роль матрицы или дисперсионной среды?

3.Какие материалы выполняют роль «второй фазы»?

4.В чем различие механизмов упрочнения композицион­ ных материалов - волокнистых и дисперсно-упрочненных?

5.На какие свойства композита окажет влияние степень наполнения «второй фазой»?

6.Чем объясняются высокие прочностные свойства кон­ струкционных композитов?

7.Какие разновидности волокнистых материалов вы

знаете?

8.Из каких материалов можно получить наиболее проч­ ные композиты и почему?

9.Укажите номенклатуру изделий и конструкций, кото­ рые можно изготовить из конструкционных материалов.

10. Как классифицируются композиционные материалы с неметаллической матрицей по виду структурирующего ком­ понента (упрочнителя) и матрицы?

И . Из каких материалов можно получать наиболее проч­ ные композиты с высоким модулем упругости?

12.Каковы перспективы применения композиционных ма­ териалов в строительстве.

13.Фирма для изготовления столешниц, моек, ванн произ­ водит материал с торговым названием «кориан». В его состав входят акриловая смола, пигменты и наполнитель в виде тригидрата алюминия. Как правильно назвать этот материал со­ гласно классификации КМ?

14.Цементный бетон - старое, традиционное название ма­ териала. Как можно назвать этот материал согласно классифи­ кации КМ?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Горбунов Г.И. Основы строительного материаловедения (состав, химические связи, структура и свойства): учеб, пособие для вузов / Г.И. Горбунов. - М.: АСВ, 2002. - 167 с.

2.Горчаков В.М. Основы стандартизации и управления ка­ чеством промышленности строительных материалов / В.М. Горчаков, Э.Г. Мурадов. - М.: Стройиздат, 1987.-287 с.

3.Микульский В.Г. Строительные материалы (материало­ ведение и технология): учеб, пособие / В.Г. Микульский [и др.]. -М .: ИАСВ, 2002.-536 с.

	4. Надежность и эффективность	в технике: справочник
в 10 т. T. 1. Методология. Организация. Терминология / под ред.
A.	И. Рембезы. - М.: Машиностроение, 1989. - 224 с.
	5. Композиционные материалы:	справочник / под ред.
B.	В. Васильева, Ю.М. Тарнапольского. - М.: Машиностроение,
1990.-608 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................	3
1. КЛАССИФИКАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.........................................	4
Вопросы для самоконтроля...................................................	8
2. СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.........................................	9
2.1 .Основные понятия материаловедения...............................	9
2.1.1. Понятия о дисперсной системе..................................	9
2.1.2. Состав и строение материала.....................................	13
Вопросы для самоконтроля...................................................	18

2.2.Основные свойства строительных материалов

и их смесей....................................................................................	18
2.2.1. Физические свойства...................................................	19
2.2.1.1. Параметры состояния системы........................	19
2.2.1.2. Структурные свойства.........................................	21
2.2.1.3. Гидрофизические свойства................................	23
2.2.1.4. Теплофизические и огнезащитные свойства...	28
2.2.1.5. Акустические и электрофизические свойства	33
2.2.2. Механические свойства...............................................	35
2.2.2.1. Деформации и деформативные свойства.......	35
2.2.2.2. Прочностные свойства........................................	41
2.2.2.3. Твердость, истираемость, износ......................	50
2.2.3. Химические и физико-химические свойства..........	51
2.2.3.1. Физико-химические свойства............................	51
2.2.3.2. Химические свойства..........................................	53
2.2.4. Надежность и долговечность.....................................	55
2.2.5. Технологические свойства смесей.............................	57
Вопросы для самоконтроля...................................................	60
3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПО КОМОЗИЦИОННЫМ
МАТЕРИАЛАМ............................................................................	63
3.1. Состав и строение композита.............................................	63
3.2. Влияние матрицы и структурирующего компонента
на формирование свойств композита......................................	65
3.3. Принципы классификации..................................................	73
3.4. Перспективы использования композитов
в строительстве.............................................................................	75
Вопросы для самоконтроля...................................................	78
Список литературы..........................................................................	79