Армированные пластики, волокна, полимерные матрицы, основные параметры и модель структуры. Лекция 7

Б1.В.ДВ.10.3 «Принципы создания полимерных композиционных материалов»
Лектор:
доктор технических наук, профессор
Симонов-Емельянов Игорь Дмитриевич

структуры

доктор технических наук,
профессор
И. Д. Симонов-Емельянов

армирующих волокон, их распределением и упаковкой в объеме полимерной матрицы;

физико-химических параметров, зависящих от взаимодействия на границе раздела, приводимых в молекулярный контакт исходных фаз и образования граничных (межфазных) слоев;

обобщенных параметров, характеризующих структуру АрПКМ при условии сохранения сплошности (монолитности) армированного материала: φсв + φf = 1

Структура и свойства АрПКМ

Состав, структура и ее параметры определяют свойства АрПКМ

армированная в 1- ом направлении (по оси Х – Х)

lx >> ly ≈ lz σx >> σ y ≈ σ z

lx ≈ ly >> lz σx ≈ σ y >> σ z

lx ≠ ly ≠ lz σx ≠ σ y ≠ σ z

Армированная структура АрПКМ (Тип структуры II)

Структура, армированная
в 3- х направлениях (по осям Х – У – Z)

Полимерная матрица

Армирующий компонент -волокно

Полимерная матрица

Армирующий компонент – листовой структуры

Полимерная матрица

Армирующий компонент- объемной структуры

трех направлениях

Пены и пористые ПКМ

Эмульсии

Дисперсии

Дискретные включения в матрице

газообразные

жидкие

твердые

Пенопласты
и
поропласты

ПКМ наполненныежидкостью

Дисперсно-наполненные
ПКМ

Непрерывные волокна, нити, ровинги, жгуты, ленты, полые волокна и т.д.

Листы, ткани, маты, холсты, бумаги, сетки, пленки, шпоны, полотна, рукава и т.д.

Объемные ткани, войлоки сборные пакеты, пористые каркасы и т.д.

Армированные
пластики

Слоистые пластики

Объемно-армированные пластики

ПКМ с изотропными свойствами

ПКМ с анизотропными свойствами

ПКМ с изо- и анизотропными свойствами

Армирующие элементы в матрице непрерывны

Волокнистые ПКМ

Листовые ПКМ

Объемно армированные ПКМ

Короткие волокна
с Lкр < L ≤ Lкр
Длинные волокна
с
15мм ≤ L ≤ 100мм
Волокниты
Включения (частицы)
различной формы и размеров
Смеси полимеров (область обращения фаз), импрегнированные каркасные
системы с открытой пористостью

в одном направлении

Матрица – полимерная

более 2-х фаз непрерывны в объеме

в трех направлениях
(х-у-z)
объема материала

эластичные

Классификация ПКМ по типу микро- и макроструктуры

полимерных систем в 1-ом направлении по оси Х-Х

Гексагональная упаковка волокон - φm,f = 0,906об. д.

Полимерная матрица

х

х

у

z

Бобина с углеродным волокном

Рис. Углеродная ткань

Рис. Базальтовое волокно

Рис. Объемная ткань

Рис. Объемная ткань

3000МПа
Сверхвысокопрочные σf ≈ 5000МПа
Низкомодульные Еf ≤ 100 ГПа
Среднемодульные Еf ≈ 200 – 320 ГПа
Высокомодульные Еf ≥ 350 ГПа
Ультравысокомодульные Еf ≥ 450 ГПа

Свойства современных углеродных суперволокон:
Прочность при растяжении - 7200МПа (Япония, фирма «Торрей»);
Модуль упругости при растяжении – 895 ГПа (США, Р120)

расстояния между волокнами к их диаметру;
Θ –доля полимерной матрицы для формирования прослойки между волокнами;
В – доля полимерной матрицы для заполнения объема между волокнами с прослойками;
М – доля полимерной матрицы в граничном слое.

φн < φm

φн = φm

а1

δ

а1

Строение структуры АрПКМ

х

у

z

В

В

Θ

Зависимость φf,m пакета углеродных волокон с различным количеством элементарных волокон в нити:
1 – 3000 шт., 2 – 6000 шт. и 3 – 12000 шт.
от давления уплотнения.

Рис. Зависимость φf,m для пакета стеклянных волокон от давления уплотнения.

R7200 (2), Aeroxide AluC (3) и б) - белая сажа марки «БС-50» (ГОСТ 18307-78); микродисперсных наполнителей - в) – диоксид титана марки SUMTITAN R-202 с dср = 1,5мкм (ТУ У 24.1-05766356-054:2005) и г) - стеклошарики марки ШСО-50 с dср = 50мкм (ТУ 5951-015-00204949-97) от давления уплотнения:

Определение параметра φm,f
по кривой уплотнения или намотки арамидных волокон

Рис. Зависимость φm,f для арамидного волокна Русар-НТ от давления уплотнения.

Рис. Зависимость φm,f (1) и пористости (2) для пакета из арамидного волокна марки Русар-С-600 от давления уплотнения.

– Структура граничных слоев в системе полимер – волокно

Волокно (тв)

Поверхностный слой волокна (δf)

Диффузионный слой (δдф)

Адсорбционный слой (δад)

Рыхлый полимерный слой (δрс)

Полимерная матрица

Полимерная матрица

ГРФ

Полимерная матрица

Волокно

ГРФ

аср,f = d [(φm,f / φf)1/2 -1];
- отношение - аср,f / d =[(φm,f / φf)1/2 - 1];
- параметр Θ = (φm,f – f2φf ) φm ; где: f2 = (1 + 2δ/d) ;
- параметр В = [(1 - φm ,f ) / φm ,f ] φf
- параметр М = (f2 - 1) φ f

Обобщенные параметры структуры АрПКМ - это параметры для расчета, которых используют несколько основных параметров

Условие монолитности АрПКМ: φf+φп= 1 и
при φf = φm,f - φm,f +φп= 1
при φf ˂ φm,f - (1 - φm,f ) + (φm,f - φf ) + φп = 0

Обобщенные параметры структуры АрПКМ (1D – структура)