Понятие о композиционных материалах. Лекция 2

Июль 28, 2022

Главная
Химия
Понятие о композиционных материалах. Лекция 2

Содержание

2. Характерные признаки композиционных материалов Состав и форма компонентов определены заранее Компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные
3. Композиционные материалы состоят из: матрицы (связующего компонента) армирующего элемента (наполнителя, упрочнителя) В композитах конструкционного назначения армирующие
4. МАТРИЦА непрерывна по всему объему материала АРМИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ – это прерывный (дискретный) компонент, разделенный в объеме
5. Кроме двух основных компонентов в состав композиционных материалов могут входить элементы, выполняющие другую функцию (изоляционную, защитную
6. Классификация композиционных материалов По природе матрицы По природе армирующего компонента По характеру взаимодействия матрицы и упрочнителя
7. Матричными материалами могут быть неорганические и органические вяжущие, полимеры, керамика, металлы и их сплавы, находящиеся в
8. Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений
9. Виды композиционных материалов
10. В качестве армирующих (упрочняющих) компонентов выступают волокнистые или слоистые материалы различной природы, а также тонкодисперсные порошкообразные
11. Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя) По механической структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые,
12. Волокнистые композиты армируются волокнами или нитевидными кристаллами. Величина отношения длины к толщине элемента равна 10 и
13. Даже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к существенному улучшению механических свойств материала. Широко
14. В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в триплексах, фанере, клееных деревянных
15. Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они
16. Форма элементов упрочнителя влияет на физические свойства композиционных материалов. Материалы с порошкообразными упрочнителями – изотропны, высокий
17. В конструкционных композитах главное - это достижение высокой удельной прочности (коэффициента конструктивного качества), высокой коррозионной стойкости,
18. Прочность композита слагается из: прочности заполнителя, прочности матрицы и прочности контактного слоя – самая важная с
19. Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между
20. Большое значение имеет расположение элементов композитного материала, как в направлениях действующих нагрузок, так и по отношению
21. По конструктивному признаку упрочнения КМ с хаотическим упрочнением Одномерно - армированные Двумерно - армированные Пространственно –
23. В композиционных материалах разнородные компоненты создают синергетический эффект - новое качество материала, отличное от свойств исходных
24. Свойства композиционных материалов Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого существенно отличаются от
25. Классификация КМ по назначению Силовые – имеют высокие механические свойства (бетоны, стеклопластики и др.) Несиловые КМ
27. Бетоны — самые распространенные композиционные материалы. В настоящее время производится большая номенклатура бетонов, отличающихся по составам
28. Органопластики — композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в
29. К наиболее распространенным органопластикам относятся древесные композиционные материалы: клееные деревянные конструкции, фанеры, древесные пластики, древесностружечные и
31. Стеклопластики - полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве
32. Углепластики - наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и
35. Инженеры Массачу́сетсского технологического института использовали углеродные нанотрубки для соединения отдельных листов материалов обшивки самолета. Предполагается, что
36. Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий,
37. Кинжал из дамасской стали и ее микроструктура
38. Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами
39. Что такое наноматериал? Самый простой подход связан с геометрическими параметрами, в соответствие с которым материалы с
40. Второй подход связан со значительной ролью в формировании свойств наноматериалов многочисленных поверхностей раздела. При этом наибольшее
42. Применение наноматериалов Конструкционные наноструктурные твердые и прочные сплавы для режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной
44. Скачать презентацию

Слайд 2

Характерные признаки композиционных материалов
Состав и форма компонентов определены заранее
Компоненты присутствуют в

количествах, обеспечивающих заданные свойства материала
КМ представляют собой гетерофазные системы, получаемые из двух или более компонентов с различными функциями

Слайд 3

Композиционные материалы состоят из:
матрицы (связующего компонента)
армирующего элемента (наполнителя, упрочнителя)
В композитах

конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Слайд 4

МАТРИЦА непрерывна по всему объему материала
АРМИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ – это прерывный (дискретный)

компонент, разделенный в объеме композиции

Слайд 5

Кроме двух основных компонентов в состав композиционных материалов могут входить

элементы, выполняющие другую функцию (изоляционную, защитную и т.д.)

Слайд 6

Классификация композиционных материалов
По природе матрицы
По природе армирующего компонента
По характеру взаимодействия матрицы

и упрочнителя
По форме элементов упрочнителя
По конструктивному признаку упрочнителя
По назначению

Слайд 7

Матричными материалами могут быть неорганические и органические вяжущие, полимеры, керамика, металлы

и их сплавы,
находящиеся в твердом кристаллическом или аморфном состоянии.
.

Слайд 8

Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного

материала,
защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды, обеспечивает равномерное распределение напряжений по объему материала
Матрица должна обеспечить
физико-химические (теплофизические, механические, электрические и др.)
технологические (уровень рабочих температур, характер изменения свойств под воздействием среды и др.) свойства материала
Она определяет метод изготовления изделий.

Слайд 9

Виды композиционных материалов

Слайд 10

В качестве армирующих (упрочняющих) компонентов выступают волокнистые или слоистые материалы

различной природы, а также тонкодисперсные порошкообразные частицы или более крупные зерна

Слайд 11

Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя)
По механической структуре композиты делятся на

несколько основных классов:
волокнистые,
слоистые,
упрочненные частицами
дисперсноупрочненные,
нанокомпозиты.

Слайд 12

Волокнистые композиты армируются волокнами или нитевидными кристаллами.
Величина отношения длины к

толщине элемента равна 10 и более.
Чем больше эта величина, тем выше степень упрочнения материала.
Обрезки волокон. применяемые для упрочнения – фибры.
Волокна обычно используют в виде пучков (нити, жгуты)

Слайд 13

Даже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к существенному

улучшению механических свойств материала.
Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации, размера и концентрации волокон.

Слайд 14

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например,

в триплексах, фанере, клееных деревянных конструкциях и слоистых пластиках.
Отношение площади элемента упрочнителя к его толщине стремится к бесконечности.

Слайд 15

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),
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 еще меньше и составляют 10-100 нм.

Слайд 16

Форма элементов упрочнителя влияет на физические свойства композиционных материалов.
Материалы с порошкообразными

упрочнителями – изотропны, высокий предел прочности на сжатие
Слоистые упрочнители – анизотропия свойств, высокий предел прочности на изгиб

Слайд 17

В конструкционных композитах главное - это достижение высокой удельной прочности

(коэффициента конструктивного качества), высокой коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности и долговечности

Слайд 18

Прочность композита слагается из:
прочности заполнителя,
прочности матрицы и
прочности контактного слоя

– самая важная с точки зрения создания композитов

Слайд 19

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов,

но и от прочности связи между ними.
Границы раздела, в первую очередь адгезионное взаимодействие волокна с матрицей, определяют уровень свойств композитов и их постоянство в условиях эксплуатации.
Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений.

Слайд 20

Большое значение имеет расположение элементов композитного материала, как в направлениях действующих

нагрузок, так и по отношению друг к другу, т.е. упорядоченность.
Высокопрочные композиты, как правило, имеют высокоупорядоченную структуру.

Слайд 21

По конструктивному признаку упрочнения
КМ с хаотическим упрочнением
Одномерно - армированные
Двумерно - армированные
Пространственно

– армированные
Возможны различные схемы укладки упрочнителя

Слайд 22

Слайд 23

В композиционных материалах разнородные компоненты создают синергетический эффект - новое

качество материала, отличное от свойств исходных компонентов, т.е. когда «целое больше, чем сумма составных частей»

Слайд 24

Свойства композиционных материалов
Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства

которого существенно отличаются от свойств каждого из его составляющих.
Признаком композиционного материала является заметное взаимное влияние составных элементов композита , т.е. их новое качество, эффект.
Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, применяя специальные дополнительные реагенты и т.д., получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств.

Слайд 25

Классификация КМ по назначению
Силовые – имеют высокие механические свойства (бетоны, стеклопластики

и др.)
Несиловые КМ - воспринимают незначительные механические нагрузки (пеностекло, пенопласт и др.)
КМ специального назначения (жаростойкие, кислотостойкие, электроизоляционные и др.)

Слайд 26

Слайд 27

Бетоны — самые распространенные композиционные материалы.
В настоящее время производится большая

номенклатура бетонов, отличающихся по составам и свойствам.
Современные бетоны производятся как на традиционных цементных матрицах, так и на полимерных (эпоксидных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, акриловых и т.д.). Современные высокоэффективные бетоны по прочности приближаются к металлам.

Слайд 28

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.
Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, обладают относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Слайд 29

К наиболее распространенным органопластикам относятся древесные композиционные материалы: клееные деревянные конструкции,

фанеры, древесные пластики, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и балки, древесные прессмассы и пресспорошки, термопластичные древесно-полимерные композиты.

Слайд 30

Слайд 31

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.).
Стеклопластики обладают 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.

Слайд 32

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.
Матрицами в угепластиках могут быть как термореактивные, так 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.
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.

Слайд 33

Слайд 34

Слайд 35

Инженеры Массачу́сетсского технологического института использовали углеродные нанотрубки для соединения отдельных листов

материалов обшивки самолета.
Предполагается, что такая технология может примерно в 10 раз повысить прочность соединения композиционных материалов при чисто символическом увеличении стоимости.

Углепластик или карбон
Это полимерные композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450 кг/м3. Материалы эти отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малым весом. Нередко они бывают прочнее стали, но гораздо легче по весу.

Слайд 36

Композиционные материалы с металлической матрицей.
При создании композитов на основе металлов

в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат высокопрочные волокна, тугоплавкие частицы различной дисперсности, нитевидными монокристаллы оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3-15 мм и диаметром 1-30 мкм.
Основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей по сравнению с обычным (неусиленным) металлом являются: повышенная прочность, повышенная жесткость, повышенное сопротивление износу, повышенное сопротивление ползучести.

Слайд 37

Кинжал из дамасской стали и ее микроструктура

Слайд 38

Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также

металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала.
Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам — материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Слайд 39

Что такое наноматериал?
Самый простой подход связан с геометрическими параметрами, в

соответствие с которым материалы с характерным размером структурных элементов в диапазоне от 1 до 100 нм называют наноструктурными.
“Нано” – 10-9 (от греч. гном)
Размер структурных элементов должен быть соизмерим с корреляционным радиусом того или иного физического явления:
для прочностных свойств это будет размер бездефектного кристалла, для электропроводности – длина свободного пробега электронов.

Слайд 40

Второй подход связан со значительной ролью в формировании свойств наноматериалов многочисленных

поверхностей раздела.
При этом наибольшее изменение свойств происходит в случае, когда объемная доля поверхностей раздела в общем объеме материала составляет более 50%.

Слайд 41

Слайд 42

Применение наноматериалов
Конструкционные наноструктурные твердые и прочные сплавы для режущих инструментов

с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью,
наноструктурные защитные термо- и коррозионностойкие покрытия;
полимерные композиты с наполнителями из наночастиц и нанотрубок, обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью;
биосовместимые наноматериалы для создания искусственной кожи, принципиально новых типов перевязочных материалов с антимикробной, противовирусной и противовоспалительной активностью;
наноразмерные порошки с повышенной поверхностной энергией, в том числе магнитные, для дисперсионного упрочнения сплавов, создания элементов памяти аудио- и видеосистем, добавок к удобрениям, кормам, магнитным жидкостям и краскам;

Понятие о композиционных материалах. Лекция 2

Содержание

Характерные признаки композиционных материаловСостав и форма компонентов определены заранееКомпоненты присутствуют в

Композиционные материалы состоят из: матрицы (связующего компонента)армирующего элемента (наполнителя, упрочнителя)В композитах

МАТРИЦА непрерывна по всему объему материалаАРМИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ – это прерывный (дискретный)