ПОНЯТИЕ О ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ (ПKM) Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

целесообразно поддерживать температуру процесса 60°C, продолжительность 30 минут при норме кислоты 100% на образование монокальцийфосфата. Список использованной литературы:

1. Геология и полезные ископаемые Республики Узбекистан / Т. Н. Долимов, Т. Ш. Шаякубов и др.: Редкол.: Т. Ш. Шаякубов (гл. ред.) и др. - Т.: Университет, 1998. - 724 с.

2. Исследование процесса нейтрализации экстракционной фосфорной кислоты мелом// Мамуров Б. А., Шамшидинов И. Т., Усманов И. И, Кодирова Г. К// Universum: химия и биология. -г. Москва: 2019. № 2 (56). - С 21-26

© Мамуров Б.А., Шамшидинов И.Т., 2020

УДК - 62-03

Стеблев А. А.

Магистр, студент, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва».

г. Саранск, РФ Стеблев М. А.

Магистр, студент, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва»

г. Саранск, РФ

ПОНЯТИЕ О ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ (ПКМ)

Аннотация

Композитный материал - неоднородный твердый материал, состоящий из двух и более компонентов, включая армирующие элементы, обладающие необходимыми механическими свойствами материала, и матрицу, обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и производительность материала зависят от правильного выбора выходных компонентов и их комбинированной технологии, предназначенной для обеспечения прочной связи между компонентами при сохранении их первоначальных свойств. Сочетание усиливающих элементов и матрицы создает комплекс композитных свойств, который не только отражает исходные свойства своих компонентов, но и содержит свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие пограничных поверхностей между армирующими элементами и матрицей значительно повышает прочность на разрыв материала, а в композитных материалах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению прочности на разрыв.

Ключевые слова

Полимеры, свойства, классификация, дисперсные и волокнистые, упрочняющее действия,

физико-механические испытания.

Полимерные композитные материалы (ПКМ) представляют собой гетерогенные системы, состоящие из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу, физико-механическим свойствам и разделенных в материале четко определенной границей.

Основное назначение наполнителя (рис. 1 (1)) является упрочить, укрепить, т. е. матрица, для которой особые свойства материала необходимо и снизить стоимость детали. Свойства наполнителя почти

полностью зависят от него: прочность на растяжение, модуль упругости, твердость, коэффициент трения, износостойкость, теплопроводность, электрические и акустические свойства.

В "идеальном" случае наполнитель должен иметь следующие характеристики:

- большой модуль упругости (чем больше, тем лучше);

- хорошая адгезия к используемому связующему (тсд > 20 МПа).

3

2

Рисунок 1 - Простейшая схема ПКМ: 1 - наполнитель; 2 - межфазный слой; 3 - матрица (связующее)

Выбор наполнителя определяется следующими факторами:

- предлагаемая технология формования;

- назначение части и ее оперативные характеристики;

- геометрические характеристики и масса детали;

- экономический фактор.

Основное назначение связующего (рис. 1. (3)), чтобы связать наполнитель для совместной эксплуатации всех моноволокон (или частиц, если дисперсный наполнитель используется), чтобы обеспечить прочность материала и передачи (распространения) социальной напряженности.

Свойства вяжущего зависят почти полностью от него зависеть: тепло-и термостойкость, устойчивость к воздействию различных рабочих сред (воды, пара, топлива, масла и т. д.).), Ударопрочность, устойчивость к длительным эффектам меняющихся нагрузок, ползучести, стрессовой релаксации.

После отверждения (для термореактивных материалов) или затвердевания (для термопластичных материалов) связующее становится матрицей. Матрица представляет собой непрерывную фазу, толщина слоя которой может варьироваться от 1 до 1000 мкм [2, с. 45].

Рисунок 2 - Схема превращения связующего в матрицу

В" идеальном " случае связующее вещество должно обладать следующими свойствами:

- деформационные свойства матрицы не должны быть ниже, чем у наполнителя ем > ен;

- связующее должно иметь относительно большой модуль упругости(Е > 2000 МПа);

- связующее должно иметь хорошую адгезию к наполнителю (тсд > 20 МПа). Выбор связующего определяется следующими факторами:

- предлагаемая технология формования;

- Способ производства;

- геометрические характеристики и масса детали;

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 9 /2020

- технологические и эксплуатационные характеристики детали.

Матрица и наполнитель должны быть хорошо совместимы, но они не должны растворяться друг в

друге.

Материал может содержать несколько матриц или несколько видов наполнителей (рис. 3).

а) б)

Рисунок 3 - Фото структуры гибридных материалов: а) волоконно-оптическая структура на основе полиэфирной матрицы с содержанием гидроксида алюминия 50 масс. ч.; б) углеродная лента с органической нитью

В зависимости от типа упаковки, частицы наполнителя ПКМ могут содержать:

- один из видов наполнителя;

- несколько наполнителей одного типа;

- волокно, распределенное среди наполнителей частиц, и наоборот.

Когда в качестве связующего используется смесь полимеров (или олигомеров), такие связующие называются гетерогенными, полимерными или гетероматическими.

Если в качестве наполнителей используются разные типы волокон или дисперсных наполнителей, то такие материалы называют гибридными.

Для оптимальной реализации всего комплекса свойств ПКМ необходимо обеспечение прочного взаимодействия матрицы и наполнителя по всей площади их контакта. Свойства материала на границе раздела матрица - наполнитель существенно отличаются от свойств каждого из этих компонентов. Этот слой получил название - межфазный слой (см. рис. 1. (2)) или межфазная зона. Его толщина обычно составляет несколько атомов. Формирование межфазной зоны происходит в течение определенного времени, причем длительность процесса зависит от вязкости связующего, его молекулярной массы, физико-химических свойств, скорости его отверждения, размеров и структуры пор в волокне и, наконец, свойств аппрета [3, с. 67].

Часто пограничный поверхностный слой является самой слабой точкой ПКМ, и вдоль этой границы начинается разрушение материала.

Силы взаимодействия пограничной поверхности состоят из следующих сил (Таблица 1):

- Водные силы (их величина составляет 4-50 ккал / моль);

- поглощение (их значение составляет 10-15 ккал / моль);

- донорский акцептор (его значение 2-40 ккал / моль);

- Силы взаимодействия Ван дер Ваальса (их величина составляет 0,5-20 ккал/моль).

Таблица 1

Средние значения межмолекулярных сил

Тип связей Величина взаимодействия, ккал/моль

Химический 300-800

Водородный 4-50

Донорно-акцепторный 2-40

Адсорбционный 10-15

Ван-дер-Ваальсовый 0,5-2

Диапазон изменений силы зависит от структуры определенных пар материала (связующего и наполнителя).

Адсорбционные силы возникают, когда молекулы полимера выровнены на поверхности частиц наполнителя и возникает адсорбционный слой с повышенными физико-механическими свойствами. До определенного количества наполнителя увеличение его концентрации приводит к повышению степени структурирования. По этой причине широко используются методы повышения активности заполняющих поверхностей.

Донорская акцепторная связь (а также химическая и водородная связь) - это своего рода связь передачи заряда. Молекула, с которой происходит переход электронов, называется донор ф). молекула, получающая электрон, является акцептором (а). Чтобы такой переход был возможен, они должны подойти друг к другу достаточно близко. Сначала происходят дипольные взаимодействия между молекулами полимера и наполнителя, затем дисперсионные взаимодействия, образуются водородные связи, и только потом происходит взаимодействие донорского акцептора.

Взаимодействие Ван-дер-Ваальса относится к межмолекулярным силам, которые, как и обычные (валентные) силы, имеют электрическую природу, но, в отличие от валентных сил, не обладают свойством насыщения. Величина межмолекулярных сил определяется типом и структурой контактных молекул (которые могут быть полярными или неполярными), чем больше расстояние, тем меньше сила. Из всех вышеперечисленных видов пограничного взаимодействия силы Ван-дер-Ваальса, возникающие не только между отдельными молекулами, но и между конденсированными фазами, наиболее значимы для пары связующих наполнителей.

Поскольку полимерные макромолекулы (независимо от их химической природы) всегда характеризуются большой степенью и полярностью, общий вклад водорода, адсорбции и сил Ван-дер-Ваальса велик, несмотря на их незначительную ценность по сравнению с химическими связями.

Свойства ПКМ значительно отличаются от свойств каждого компонента, композитный материал может состоять из двух, трех или более компонентов. Размеры частиц входящих компонентов могут варьироваться от сотых долей микрометра до нескольких миллиметров.

Нет единой классификации наполнителей для полимерных материалов. По своей природе наполнители делятся на органические и неорганические, а в виде частиц-на порошковые (диспергированные), сферические (в виде полых микросфер) и волокнистые. Органические наполнители включают целлюлозу, древесную муку, угольную ткань, шунгит и т. д., в то время как неорганические наполнители содержат молотые слюды, кварцевой муки, графита, асбеста и др. Заполненные газом микросферы также используются в качестве наполнителей, которые значительно уменьшают массу полимера.

Все наполнители делятся на диспергированные и волокнистые. С точки зрения механизма отверждения и, следовательно, механизма разрушения волокнистые и диспергированные наполнители значительно различаются (Таблица 2).

В диспергированном ПКМ матрица несет основную нагрузку, а наполнитель укрепляет матрицу. Степень отверждения зависит от формы частиц наполнителя, их количества и распределения. Толщина диспергированного ПКМ зависит от толщины полимерной матрицы и не сильно зависит от количества наполнения.

В полимерных композитных материалах, содержащих волокнистые наполнители, матрица переносит

нагрузку на волокно, обеспечивает жесткость и распределяет напряжение. Волокно несет основную нагрузку, когда оно растягивается. Прочность ПКМ, содержащего волокнистые наполнители, зависит от прочности волокон, Схемы армирования и изменений в отношении содержания волокон

Упрочняющее действие наполнителя заключается в том, что он ингибирует процессы пластической деформации вызывают, что приводит к разрушению [4, С. 43]. В таблице 3 показано влияние различных наполнителей на свойства прочности ПКМ. Как следует из данных, приведенных в таблице 3, увеличение количества наполнения не всегда приводит к увеличению прочности ПКМ. Волокнистые наполнители в виде отдельных волокон не приводят к увеличению сопротивления к максимальному волокнистому диапазону позволяют увеличить механические свойства [5, с. 31] наполнителей.

Таблица 2

Сравнение ПКМ с различными типами наполнителей

Характеристики ПКМ

Дисперсно-прочненные Армированные волокнистыми наполнителями

Роль матрицы Несет основную нагрузку Передает нагрузку на волокно

Роль наполнителя Укрепляет матрицу. Степень отверждения зависит от формы частиц наполнителя, их количества и распределения Волокно несет основную нагрузку при растяжении

Степень напол-нения, масс. ч. 1-200 65-75

Коэффициент отверждения 1,1-15 2-50

Прочность ПМ Зависит от прочности полимерной матрицы и не сильно зависит от количества наполнителя Зависит от толщины волокон, схемы подкрепления и изменений по отношению к объемному содержанию волокон

Свойства ПМ Изотропные Анизотропные

Области приме-нения при ремонте оборудования Устранение различного рода дефектов (раковины,трещины, коррозионные повреждения и т. п.) в корпус и блоки устройства Системы диагностики. Устранение различных дефектов (раковины, трещины, коррозионные повреждения и т. п.).) в кузовных и кузовных частях и агрегатах оборудования

Таблица 3

Влияние волокнистых и дисперсных наполнителей на прочность ПМ (ЭД-20 - 100масс. ч. + ПЭПА - 12 масс. ч.)

Тип наполнителя и его Предел прочности при изгибе, МПа Коэффициент упрочнения

содержание в ПМ, % До наполнения После наполнения

Углеродное волокно УКН-2-500 75-110 1,2

Углеродное волокно НШ 83-119 1,36

Углеродная лента Кулон 94-150 1,8

Алюминиевая пудра: 10 25 50 69-103,5 1,15

75-112,5 1,25

78-117 1,3

60-90

Шунгит: 10 25 50 82-95 1,36

80-93 1,33

67-76 1,12

Нитрид бора: 10 25 50 84-126 1,4

96-144 1,6

102-153 1,7

Физико-механические свойства ПКМ в зависимости от концентрации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии производства изменяются в широких пределах. Это обеспечивает возможность конструирования материалов с заранее заданными свойствами. Применение композитных материалов не ограничено. Они применяются в авиации для

высоконагруженных деталей (кожа, лонжеронов, нервюр, панелей, компрессорные и турбинные лопатки и т. д.).), в космической технологии компоненты для власти структуры транспортных средств, для элементов жесткости, панелей, содействие в автомобильной промышленности, корпуса, пружины, рамы, кузовные запчасти, бамперы и т. д., в горнодобывающей промышленности (буровые инструменты, комбинирование частей и т. д.), в гражданском строительстве (моста пяди, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.).) и в других областях народного хозяйства.

Использование композитных материалов обеспечивает новый качественный скачок в повышении производительности двигателей, силовых и транспортных установок, а также снижает вес машин и оборудования. Композитные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерный карбон, используются в судовой и автомобильной промышленности (гоночный автомобиль, шасси, пропеллер); из него изготавливаются подшипники, нагревательные пластины, спортивное оборудование, компьютерные детали. Высокомодульное углеродное волокно используется для производства деталей авиационного оборудования, оборудования для химической промышленности, рентгеновских аппаратов и других. Углеродные матричные углеродные волокна заменяют различные типы графита. Они используются для теплозащиты, тормозных дисков самолетов и химически стойкого оборудования. Товары из borfaser используются в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и компрессор листы, лопасти винтов, вертолетов, приводных валов и т. д.).). Органо волокон используются в качестве изоляционного и конструкционного материала в электро-и радио-промышленности, авиационной техники и т. д.

Список использованной литературы:

1. Баженов, С.Л. Полимерные композиционные материалы / С.Л. Баженов, А.А. Берлин, А.А. Кульков, В.Г. Ошмян. - Долгопрудный: Интеллект, 2010. - 352 с.

2. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / под ред. А.А. Берлина. - 3-е испр. изд. - СПб.: ЦОП «Профессия», 2011. - 560 с.

3. Яблокова, М.Ю. Полимерные композиционные материалы: методы получения. Методическое руководство / М.Ю. Яблокова. - М., 2011. - 67 с.

4. Коноплин, А.Ю. Выбор материалов для клеесварных соединений /А.Ю. Коноплин, Н.И. Баурова // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2014. - № 7. - С. 40-44.

5. Малышева, Г.В. Оценка температур фазовых переходов полимерных связующих методом дифференциально-канирующей калориметрии / Г.В. Мадышева, Э.Щ. Ахметова, Ю.Ю. Шимина // Клеи. Герметики. Технологии. - 2014. - № 6. - С. 29-33.

© Стеблев А.А., Стеблев М.А., 2020 г.