Ф е д е р а л ь н о е а г е н т с т в о п о о б р а з о в а н и ю

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

И н ж е н е р н о - т е х н о л о г и ч е с к и й ф а к у л ь т е т

Кафедра Химия и технология полимерных и композиционных материалов

1. Конспект лекций

по дисциплине: ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ______________

специальности 24 05 02 Технология переработки пластических масс и

эластомеров

СЕДЬМОЙ СЕМЕСТР

Лекция 1.

Тема 1. Общая характеристика композиционных материалов

1.1.Введение

История создания композиционных материалов восходит на чащу цивилизации.

Композиционный материал (КМ) – качественно новые образования исходных материалов, в которых проявляются лучшие стороны этих компонентов. Это свойство заметили в древности. Самые первые высушенные кирпичи за 5 тысяч лет до нашей эры были более сложные. Во времена Фараона и Ассирии глиняные кирпичи армировали тростником. В глину добавляли камни или органический материал для уменьшения усадки и растрескивания при обжиге. Древние гончары регулировали пористость сосудов, чтобы жидкость оставалась там холодной при хранении.

Новые армированные материалы на полимерной основе использовались в Вавилоне 4-2-тыс лет до нашей эры. Это стройматериалы на основе битумной смолы.

В Месопотамии в 3-ем тысячелетии до нашей эры строили суда из тростника, пропитанного битумом. В Египте получали листы, подобные бумаге – КМ на основе целлюлозы, которая изготавливалась выкладкой, избиванием листов тростника. Современная бумага появилась в 105 году в Китае.

1500 лет до нашей эры появилось мумифицирование – ленчатая намотка.

Природа сама получала КМ : пемза, медузы, янтарь, древесина.

В современном мире:

бетон – КМ, в котором силикатная матрица - цемент, а наполнитель- песок, гравий; железобетон – КМ, в котором бетон армирован стальными прутьями.

.

Цель дисциплины: ознакомление с наиболее прогрессивными конструкционными материалами современной технике – композиционными; изучение закономерностей формирования структуры, особенностей механического сопротивления в поле механических сил; рассмотрение вопросов технологии формования и переработки.

Предметом изучения является подбор и расчет технологического оборудования с учетом требуемых эксплуатационных свойств, а также технологических параметром перерабатываемого материала. Получение изделий с требуемыми технико-экономическими показателями.

Технология переработки КМ – наукоемкая отрасль промышленности, которая развивается благодаря трудам научно-исследовательских институтов.

Применение КМ: строительство (бетон, железобетон, ДСП, ДВП, линолеум, фанера, пенопласты, шлакоблоки), аэрокосмическая отрасль (элементы фюзеляжа самолета), автомобилестроение (корпуса автомобилей, протектора шин), судостроение (спасательные круги, корпуса судов, лодок).

1. 1.2.Сравнительная характеристика различных композиционных материалов

Конструкционные материалы – материалы как общетехнического, так и инженерно-технического, применяемые для изготовления изделий и конструкций, воспринимающих силовую нагрузку.

Для первых разрушающее напряжение от 2 до 25 МН/м²,

Для вторых – свыше 35 МН/м²..

Эти материалы очень различны по природе компонентов, по механическим, деформационным, теплофизическим и др. свойствам.

Однако, основная характеристика КМ это несущая способность, определяемая физико-механическими свойствами.

Из этих свойств наиболее важными, используемыми при расчете зданий, сооружений, изделий и конструкций, являются две: прочность и жесткость.

Первая характеризуется разрушающим напряжением (τ_р, МН/м²)

Вторая – модулем упругости (Е, МН/м²), имеющим туже размерность, но характеризующим деформативность материала.

КМ – гетерогенный, многофазный материал, состоящий из двух или более компонентов, с четной границей раздела между ними и качественно новыми свойствами при сохранении химической индивидуальности каждого компонента. КМ дает возможность регулировть массу и прочность в различных направлениях, позволяя в случае армированных пластиков усиливать конструкции в направлении главных напряжений.

.

Таблица 1.1 Сравнительная характеристика различных композиционных материалов

Материал	Плотность, кг/м^3	Удельная прочность, МН∙м^3/м^2∙кг	Удельная жесткость, МН∙м^3/м^2∙кг
Древесина (ель)	500	0,2	3
Сталь СТ3	7850	0,19	43
Титан	4500	0.31	27
Алюминий	2600	0,17	26
Стеклопластик	2200	0,96	31
Боропластик	1900	0,72	139
Углепластик	1470	1,13	110
Органопластик	1200	1,22	64

Лекция 2

1.3.Составляющие композиционного материала

С позиции физикохимии и материаловедения КМ представляют многокомпонентную систему, к этой системе применимы такие принципы как: непрерывность и соответствия.

Количественными закономерностями, описывающими поведение конкретных веществ, может служить правило фаз Гиббса и уравнение Клаузиуса-Клайперона.

Многокомпонентная система обладает требуемыми технологическими и эксплуатационными свойствами только в том случае, если выполняются определенные условия в виде выбора компонентов и определенными допустимыми свойствами. К этим свойствам относятся: пропитывающая способность, текучесть по Раллингу, вязкость, характеризуемая ПТР для термопластов.

С другой стороны эксплуатационные свойства определяются выбором компонента, обеспечивающих монолитность КМ.

Анализируя структуру КМ в первом приближении можно выделить две фазы: наполнитель и матрица .

Наполнитель – составная часть КМ, обеспечивающая выполнение силовых функций, повышение жесткости, теплостойкости, устойчивости к знакопеременным нагрузкам, износостойкости, изменения в сторону повышения или снижения электрического сопротивления (например: стеклянные волокна повышают, а углеволокно уменьшает), а также, в некоторых случаях, снижения стоимости. В зависимости от требуемых свойств КМ применяются наполнители, которые резко усиливают прочностные (армирующие) свойства на порядки (в 10, 100, 1000 раз), незначительно повышают свойства “усиливающие” или упрочняющие наполнители.

Наполнители, не влияющие на прочность КМ, -. это заполнители.

Матрица – непрерывная фаза . обеспечивающая равномерное перераспределение внешних напряжений в объеме.

Матрица КМ обеспечивает совместную работу элементов наполнителя (частиц, волокон, листов), перераспределение напряжений, возникающих в конструкции, между армирующими или усиливающими элементами.

Матрица выполняет защитно-изоляционные функции, обеспечивая сохранение наполнителя от воздействия воды и растворенных в ней агрессивных веществ.

Дело в том, что армирующие наполнители на основе волокон стекла, бора, ароматического полиамида с одной стороны поглощает воду с ухудшением прочностных и деформационных свойств, а с другой стороны просто взаимодействует с ней, подвергаясь гидролизу.

Матрица КМ для того, чтобы обеспечить эффективную работу армирующего наполнителя должна иметь более высокие деформационные показатели. Кроме того, каждому типу армирующего наполнителя соответствует определенное допустимое значение относительного удлинения матрицы при разрыве (одно из условий монолитности КМ).

КМ в изделиях выполняют несколько функций. Вообще, КМ и изделие, по существу одно и тоже, с точки зрения материаловедения, т.к. они формуются одновременно, поэтому в полной мере присущие изделию.