Жидкокристаллические композиты ЖКК. Керамические композиционные материалы (ККМ). Углерод-углеродные композиционные (УУКМ)
- Главная
- Химия
- Жидкокристаллические композиты ЖКК. Керамические композиционные материалы (ККМ). Углерод-углеродные композиционные (УУКМ)
Содержание
- 2. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ Современные жидкокристаллические композиты (ЖКК) представляют собой в основном полимерные пленки, в которые в виде
- 3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ Жидкие кристаллы, основной признак которых наличие ориентационного порядка, являются главным рабочим элементом
- 4. В зависимости от характера микроскопической упорядочения жидкие кристаллы принято делить на несколько главных типов - нематические
- 5. В холестериках есть одномерное трансляционное упорядочение (б). Последнее проявляется в том, что структуры расположены слоями. В
- 6. Структурные элементы жидких кристаллов могут иметь различную химическую природу, поэтому мир ЖКК чрезвычайно разнообразен. В качестве
- 7. В настоящее время получены композиты почти со всеми типами известных жидких кристаллов. Роль границы контакта жидкий
- 8. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЖКК Впервые ЖКК были созданы на базе холестерических кристаллов в 70-е годы для целей
- 9. Большая часть используемых сейчас ЖКК с нематиками получена на основе полимеров. Такой композит сохраняет все механические
- 10. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЖКК Жидкие кристаллы широко используются в различных областях техники. Наиболее массовое их применение -
- 11. Применение ЖКК с нематиками связано в основном с электрооптическими свойствами жидких кристаллов - способностью изменять пропускание
- 12. КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Атомная структура керамических материалов обеспечивает их химическую стойкость к разрушающему воздействию агрессивной окружающей
- 13. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ККМ Высокопрочные композиты на основе керамики получают путем армирования ее волокнистыми наполнителями, а также
- 14. Другой перспективный способ увеличения вязкости заключается во введении в керамическую матрицу тонких переплетенных волокон (б). Армирующие
- 15. Еще один способ повышения вязкости аналогичен способу торможения трещин в стальных пластинах. Он заключается в «затуплении»
- 16. Керамическая матрица придает композиту высокую теплостойкость. Боросиликатное стекло, армированное волокнами из карбида кремния сохраняет прочность при
- 17. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ККМ Теплостойкость ККМ усложняет их производство. Керамические матрицы имеют широкое применение,
- 18. Среди ККМ, армированных волокнами можно выделить: ККМ с металлическими волокнами. Керамику армируют волокнами вольфрама, молибдена, стали,
- 19. УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ На основе углеродных волокон делают самый теплостойкий углерод-углеродный композит (УУКМ), в котором матрицей,
- 20. Общепринятая технология производства углеродного волокна основана на термической обработке различных органических волокон. Однако из всех видов
- 21. Принципы получения углеродных волокон Об использовании полиакрилнитрила (ПАН) для производства УВ было впервые сообщено в 1961
- 22. УВ ИЗ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА (ПАН) Процесс переработки ПАН в УВ включает следующие стадии: формование исходного ПАН-волокна; предварительная
- 23. Характеристики ПАН - сополимеров ПАН является линейным полимером, состоящим из углеродной скелетной молекулы с углеродо-азотными боковыми
- 24. Стабилизация ПАН Для получения хорошего высокопрочного и высокомодульного УВ из ПАН или его сополимеров, необходимо создавать
- 25. Карбонизация и графитация Под карбонизацией понимают обычно процесс пиролиза стабилизированного ПАН-волокна, при котором происходит его превращение
- 26. Зависимость модуля упругости Е и предела прочности σв при растяжении УВ на основе ПАН от температуры
- 27. Углеродные волокна из пека Процесс производства УВ из мезофазных пеков следующий: нагревание при 400-450°С в среде
- 29. Скачать презентацию
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ
Современные жидкокристаллические композиты (ЖКК) представляют собой в основном полимерные пленки,
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ
Современные жидкокристаллические композиты (ЖКК) представляют собой в основном полимерные пленки,
Жидкокристаллические композиты созданы ради эксплуатации их уникальных оптических и электрооптических свойств. Последние – это свойства самих, входящих в состав жидкокристаллических композитов, жидких кристаллов, лишь измененные в той или иной степени влиянием матрицы.
Сейчас еще до конца не ясно, все ли физические свойства жидких кристаллов сохраняются в композитах. Те же, которые сохраняются, естественно, несколько изменяются. Это связано с особенностями структуры, которые образуют жидкие кристаллы в ЖКК.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
Жидкие кристаллы, основной признак которых наличие ориентационного порядка,
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
Жидкие кристаллы, основной признак которых наличие ориентационного порядка,
Схематическое представление изотропной среды (жидкость, свойства которой во всех направлениях одинаковы) и анизотропной среды (жидкий кристалл, ориентационное упорядочение).
В зависимости от характера микроскопической упорядочения жидкие кристаллы принято делить на
В зависимости от характера микроскопической упорядочения жидкие кристаллы принято делить на
Нематики характеризуются лишь одномерным ориентационным порядком. Выделенные оси структурных элементов ориентированы примерно в одном направлении, а центры тяжести расположены в пространстве хаотично (трансляционный порядок отсутствует). Направление ориентационного упорядочения задается направлением единичного вектора (директора).
Главные типы жидких кристаллов: а - нематический; б -холестерический; в - «голубая фаза», г - смектический (А); д -смектический (С). (чёрточками показаны выделенные оси структурных элементов).
В холестериках есть одномерное трансляционное упорядочение (б). Последнее проявляется в том,
В холестериках есть одномерное трансляционное упорядочение (б). Последнее проявляется в том,
Одномерный ориентационный и трансляционный порядок характерен и для смектиков. Однако в этих жидких кристаллах директор, описывающий ориентационный порядок в пределах каждого слоя, не лежит в плоскости слоев. В смектиках А он перпендикулярен слоям (г), в смектиках С наклонен к плоскости слоев (д). Существуют и другие смектики с двумерным трансляционным порядком, но пока они практически не используются в известных ЖКК.
Структурные элементы жидких кристаллов могут иметь различную химическую природу, поэтому мир
Структурные элементы жидких кристаллов могут иметь различную химическую природу, поэтому мир
Химические формулы ряда жидких кристаллов разного типа: а - нематики; б – холестерики
В настоящее время получены композиты почти со всеми типами известных жидких
В настоящее время получены композиты почти со всеми типами известных жидких
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЖКК
Впервые ЖКК были созданы на базе холестерических кристаллов в
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЖКК
Впервые ЖКК были созданы на базе холестерических кристаллов в
В 80-е годы были разработаны композиты с нематиками для применения в электрооптике. ЖКК с нематиками получены на основе полимерной матрицы, в свободных полостях которой находится нематик. Для получения ЖКК как с холестериками, так и с нематиками существуют две основные технологии: 1) эмульгирование с последующим отверждением; 2) фазовое разделение, включающее: получение раствора жидкого кристалла в растворе полимера или пористой матричной среде и последующее отверждение, при котором микрокапли жидкого кристалла отделяются от матрицы в результате полимеризации при охлаждении расплава и испарении растворителя.
Большая часть используемых сейчас ЖКК с нематиками получена на основе полимеров.
Большая часть используемых сейчас ЖКК с нематиками получена на основе полимеров.
Морфология таких ЖКК определяется соотношением нематик-полимер. При умеренных концентрациях нематика (60 % масс.) в полимере образуются сферические или эллиптические пустоты (капсулы), которые заполняет нематик. Такую структуру называют структурой «швейцарского сыра». При большей концентрации нематика сам полимер собирается в виде мелких шариков и такую структуру называют структурой «полимерных мячей».
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЖКК
Жидкие кристаллы широко используются в различных областях техники. Наиболее
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЖКК
Жидкие кристаллы широко используются в различных областях техники. Наиболее
Преимущества ЖКК несомненны. Они твердые и гибкие, им можно придать любую форму, их размеры практически не ограничены.
Применение ЖКК с нематиками связано в основном с электрооптическими свойствами жидких
Применение ЖКК с нематиками связано в основном с электрооптическими свойствами жидких
Успешно применяются ЖКК в медицинской диагностике, в создании биокомпозитов, поскольку многие сложные биологически активные молекулы (ДНК) и макроскопические тела (вирусы) могут находиться в жидкокристаллическом состоянии.
Новые жидкокристаллические композиты разрабатываются весьма активно и области их применения постоянно расширяются.
КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Атомная структура керамических материалов обеспечивает их химическую стойкость к
КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Атомная структура керамических материалов обеспечивает их химическую стойкость к
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ККМ
Высокопрочные композиты на основе керамики получают путем армирования ее
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ККМ
Высокопрочные композиты на основе керамики получают путем армирования ее
Другой перспективный способ увеличения вязкости заключается во введении в керамическую матрицу
Другой перспективный способ увеличения вязкости заключается во введении в керамическую матрицу
Кроме улучшенных методов изготовления керамики, способствующих уменьшению числа дефектов структуры, разрабатываются новые способы упрочнения керамики за счет торможения роста тех трещин, которые возникают при растяжении или сдвиге. Один из таких способов основан на структурном превращении (а), в результате которого повышается вязкость. В нем используется свойство кристалла диоксида циркония ZrO2 увеличивать свой объем на 3 - 5% и изменять структуру под действием напряжения, возникающего на конце распространяющейся трещины. Трещина, приближаясь к включенным в керамическую матрицу зернам ZrO2, вызывает их расширение. Результатом этого расширения является локальное сжатие прилегающей к зерну зоны керамической матрицы. Растущая трещина оказывается сжатой в точке роста, что мешает ее дальнейшему увеличению. Кристаллические зерна ZrO2 вводят во многие керамические материалы, что значительно повышает их вязкость.
Еще один способ повышения вязкости аналогичен способу торможения трещин в стальных
Еще один способ повышения вязкости аналогичен способу торможения трещин в стальных
Механизмы упрочнения керамики: а - трансформационное упрочнение; б-армирование волокнами: в - «затупление» трещины на большой площади
Керамическая матрица придает композиту высокую теплостойкость. Боросиликатное стекло, армированное волокнами из
Керамическая матрица придает композиту высокую теплостойкость. Боросиликатное стекло, армированное волокнами из
Керамические композиты являются перспективными жаропрочными материалами. Они характеризуются высокими температурой плавления и модулем упругости, низкой плотностью, высокой прочностью на сжатие, химической инертностью и устойчивостью к воздействию агрессивных, в частности окислительных сред, большими запасами сырья. Наряду с этим керамические материалы обладают недостаточной прочностью при растяжении, изгибе, циклическом нагружении, повышенной хрупкостью, низким сопротивлением тепловому удару, низкой ударной вязкостью. Введение в керамику армирующих волокон позволяет в значительной степени устранить перечисленные недостатки и создать композиты, способные работать в окислительной среде при температурах до 2273 К.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ККМ
Теплостойкость ККМ усложняет их производство. Керамические
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ККМ
Теплостойкость ККМ усложняет их производство. Керамические
Керамика характеризуется низкой прочностью при растяжении и при высоких температурах одной из причин выхода из строя изделий из керамики является растрескивание. Это создает большие трудности при армировании ее волокнами, поскольку недостаточное удлинение матрицы препятствует передаче нагрузки на волокно. Поэтому волокна должны иметь более высокий модуль упругости, чем матрица. Ассортимент таких волокон ограничен. Обычно используют металлические волокна. При этом сопротивление растяжению растет незначительно, но существенно повышается сопротивление тепловым ударам.
Среди ККМ, армированных волокнами можно выделить:
ККМ с металлическими волокнами. Керамику армируют
Среди ККМ, армированных волокнами можно выделить:
ККМ с металлическими волокнами. Керамику армируют
ККМ с углеродными волокнами. Взаимодействие углерода с оксидами, карбидами и силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами, поэтому использование керамики в качестве матриц высокотемпературных композитов с углеродными волокнами весьма перспективно.
ККМ с волокнами карбида кремния. При практически равной прочности эти ККМ имеют преимущества перед аналогичными материалами с углеродными волокнами - повышенную стойкость к окислению при высоких температурах и значительно меньшую анизотропию коэффициента термического расширения. В качестве матрицы используют порошки боросиликатного, алюмосиликатного, литиево-силикатного стекла или смеси стекол. Волокна карбида кремния применяют в виде моноволокна или непрерывной пряжи со средним диаметром отдельных волокон 10-12 мкм.
УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
На основе углеродных волокон делают самый теплостойкий углерод-углеродный композит
УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
На основе углеродных волокон делают самый теплостойкий углерод-углеродный композит
Углеродные волокна (УВ)
Как известно, механическая прочность твердых тел определяется силой межатомной связи этого вещества. Для твердого тела механическая прочность и твердость пропорциональны. Из природных тел наибольшую твердость имеет алмаз, в котором имеются прочные межатомные связи углерод-углерод. Вот эти связи и можно использовать для создания высокопрочных волокон.
Связи углерод-углерод имеются не только в алмазе, но и в графите. Последний имеет слоистую структуру. Внутри слоев имеются прочные связи углерод-углерод, а между слоями межатомные связи углерод-углерод слабые, их называют Ван-дер-Ваальсовыми. Если чешуйки графита расположить вдоль волокон, то волокно получится прочнее.
Общепринятая технология производства углеродного волокна основана на термической обработке различных органических
Общепринятая технология производства углеродного волокна основана на термической обработке различных органических
ГТЦ (гидратцеллюлозы),
ПАН (полиакрилонитрилов),
пека (нефтяных и угольных смол).
На сегодня они являются основным сырьем для изготовления УВ. УВ, полученные, из ГТЦ, были впервые исследованы еще в 1880 г. Они были использованы Т. Эдисоном в его первом патенте на лампы накаливания. Нить, которая была использована в лампе, получена в результате пиролиза хлопкового гидратцеллюлозного волокна. Нити были очень хрупкими, обладали высокой пористостью, что приводило к неравномерному их нагреву, а при высокой температуре они окислялись.
В последующие 30 лет для преодоления этих недостатков был предложен метод пиролитического нанесения покрытий на волокно (пиролиз - превращение органических соединений с одновременной деструкцией их под действием высокой температуры). Приблизительно в то же время в лампах накаливания стали применять гибкую вольфрамовую проволоку и интерес к углеродным нитям угас и не возрождался до середины 50-х годов XX столетия.
Принципы получения углеродных волокон
Об использовании полиакрилнитрила (ПАН) для производства УВ
Принципы получения углеродных волокон
Об использовании полиакрилнитрила (ПАН) для производства УВ
Об использовании пеков при производстве УВ сообщили в 1965 г. Сначала волокна получали в основном формованием из расплавов изотропных пеков или аналогичных дешевых продуктов нефтепереработки. Эти волокна также подвергались окислению с последующей карбонизацией в инертной атмосфере при температуре ~1000°С. Свойства таких изотропных волокон были весьма невысокими.
Новый метод получения УВ из пека осуществлялся по следующей схеме: пек переводился в жидкокристаллическую (мезоморфную) форму перед процессом прядения. Жидкокристаллическое состояние реализовывалось в процессе вытягивания в инертном газе при температуре 400-500°С. Пек, переведенный хотя бы частично в мезоморфную фазу, формовался, подвергался окислению и дальнейшей карбонизации при температуре 1000-3000°С. Волокна, полученные этим способом, обладали достаточно высокой степенью ориентации (анизотропией).
УВ ИЗ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА (ПАН)
Процесс переработки ПАН в УВ включает следующие стадии:
формование
Процесс переработки ПАН в УВ включает следующие стадии:
формование
предварительная вытяжка;
стабилизация при 220°С на воздухе под натяжением;
карбонизация при 1500°С в атмосфере инертного газа;
графитация при 3000°С в атмосфере инертного газа.
Характеристики ПАН - сополимеров
ПАН является линейным полимером, состоящим из углеродной скелетной
Характеристики ПАН - сополимеров
ПАН является линейным полимером, состоящим из углеродной скелетной
Температура стеклования для ПАН достаточна высока (~120°С), что связано с относительно сильными межмолекулярными взаимодействиями полярных нитрильных групп. Термическая деструкция полимеров акрилонитрила происходит при температурах ниже температуры его плавления. Сильная полярность нитрильных групп определяет низкую растворимость ПАН. Только полярные растворители могут быть использованы для растворения ПАН.
Как сам ПАН, так и его сополимеры формуются в основном по мокрому способу. По этой технологии полимер растворяется, и прядильный раствор, пройдя через фильеру в осадительную ванну, образует волокно. Затем волокно проходит стадию промывки, вытяжки и сушки. Результатом процесса мокрого формования является образование ориентированных структур в волокнах ПАН.
Строение ПАН полимера
Стабилизация ПАН
Для получения хорошего высокопрочного и высокомодульного УВ из ПАН или
Стабилизация ПАН
Для получения хорошего высокопрочного и высокомодульного УВ из ПАН или
Образование объёмных поперечных связей.
Влияние вытяжки на фибриллярную сетку ПАН-волокна: 1 - исходная фибриллярная сетка; 2 - вытянутое волокно
Карбонизация и графитация
Под карбонизацией понимают обычно процесс пиролиза стабилизированного ПАН-волокна, при
Карбонизация и графитация
Под карбонизацией понимают обычно процесс пиролиза стабилизированного ПАН-волокна, при
Графитация в основном проводится при температурах выше 1800°С. При этом улучшается преимущественная ориентация кристаллов.
В результате термообработки диаметр исходного ПАН-волокна уменьшается почти вдвое. Средний диаметр УВ составляет 7-10 мкм.
Механические свойства УВ на основе ПАН в основном зависят от температуры обработки. Модуль упругости увеличивается с ростом температуры, а предел прочности σв проходит через максимум.
Зависимость модуля упругости Е и предела прочности σв при растяжении УВ
Зависимость модуля упругости Е и предела прочности σв при растяжении УВ
Углеродные волокна из пека
Процесс производства УВ из мезофазных пеков следующий:
нагревание при
Углеродные волокна из пека
Процесс производства УВ из мезофазных пеков следующий:
нагревание при
формование волокон из жидкокристаллических пеков;
отверждение и стабилизация волокон;
карбонизация волокон ~1400-1700°С;
графитация волокон ~3000°С.
Если время получения жидкокристаллического состояния уменьшить или ускорить процесс, то механические свойства будут плохие.
Пек и другие сходные с ними материалы являются продуктами деструкции, образующимися при перегонке каменного угля, сырой нефти, натурального асфальта и ряда синтетических компаундов (например, поливинилхлорида (ПВХ)) под воздействием высокой температуры или катализаторов.
Они различаются как по молекулярной массе, так и по степени ароматизации. Насыщенная часть углеводородов включает в основном алифатические соединения с низкой молекулярной массой. Нафтеноароматическая часть пеков состоит из ароматических веществ с низкой молекулярной массой, а также включает насыщенные углеводы циклической структуры.