Композиционные материалы

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………….3

1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ……………………………………...4

КЛАССИФИКАЦИЯ …………………………………………………………….5

СТРУКТУРА КОМОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ……………………………...6

ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ …………………………..7

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ  С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ ……..11

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ  НА ОСНОВЕ КЕРАМИКИ ………………12

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ  ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ………………………………………………………………...13

2. ОБЩИЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ  ОТ КОРРОЗИИ ……………………………14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………23

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………..24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Одно из важнейших направлений, определяющих развитие всех отраслей промышленности, строительства, медицины и сферы услуг – это новые  материалы. Изменения укладов жизни  человечества связаны с открытием  и освоением производства новых  материалов. Материалы – это ступени  нашей цивилизации, а новые материалы  – это трамплин для прыжка в  будущее, меняющий облик нашего бытия.

Прорыв в новые области  знаний, технологий, создание изделий  с требуемыми свойствами, резкое улучшение  экономических показателей, обретение  технико-экономической независимости  вследствие отказа от использования  традиционно приемлемых материалов - все это возможно только благодаря  новым полимерным композиционным материалам (ПКМ).

Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом  начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия  с помощью жира, масел, а позднее  и покрытием другими металлами  и прежде всего легкоплавким оловом (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (V в. до н.э.) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии.

Задачей химиков было и  остается выяснение сущности явлений  коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих ее протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и потому ее нельзя полностью устранить, а можно  лишь замедлить.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Композиционные  материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Компоненты композиционного  материала различны по геометрическому  признаку. Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей. Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой.

Матрица придает требуемую  форму изделию, влияет на создание свойств  композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений  и других воздействий среды. В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

Армирующие или упрочняющие  компоненты равномерно распределены в  матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и  модулем упругости и по этим показателям  значительно превосходят матрицу. Вместо термина армирующий компонент  можно использовать термин наполнитель.

Сочетание разнородных веществ  приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и  качественно отличаются от свойств  каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они  легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

 

Классификация

Композиционные материалы  классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице, природе  компонентов.

По геометрии наполнителя  композиционные материалы подразделяются на три группы:

• с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
• с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;
• с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

• с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;
• с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
• с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.

По природе компонентов  композиционные материалы разделяются  на четыре группы:

• композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;
• композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
• композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
• композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.

 

Структура композиционных материалов.

По структуре композиты  делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами  – кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к  этому классу композитов. Уже небольшое  содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению  качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать  свойства материала позволяет также  изменение ориентации размера и  концентрации волокон. Кроме того, армирование  волокнами придает материалу  анизотропию свойств (различие свойств  в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников  можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель  расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

Микроструктура остальных  классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу  наполняют частицами армирующего  вещества, а различаются они размерами  частиц. В композитах, упрочненных  частицами, их размер больше 1 мкм, а  содержание составляет 20–25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в  состав нанокомпозитов – нового класса композиционных материалов – еще  меньше и составляют 10–100 нм.

 

Полимерные композиционные материалы (ПКМ).

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и  разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при  производстве космической и авиационной  техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А  снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В качестве наполнителей ПКМ используется множество  различных веществ.

Стеклопластики – полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного  инвентаря, оконных рам для современных  стеклопакетов и т.п.

Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон  и углеродной матрицы создают  композиционные углеграфитовые материалы  – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные  долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры  до 3000° С.

 Из углеуглепластиков  делают высокотемпературные узлы  ракетной техники и скоростных  самолетов, тормозные колодки  и диски для скоростных самолетов  и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

Боропластики – композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Органопластики – композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Органопластики находят  широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической  технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного  инвентаря и т.д.

Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность.

Сейчас применяются разнообразные  наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая  глина) дешевы, запасы их практически  не ограничены, белый цвет дает возможность  окрашивать материал. Применяют для  изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для  производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно  увеличивает модуль упругости и  теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и  в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют  органические наполнители – древесную  муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для  создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.