CC BY
48УДК 678.7
Лишних М.А.
студент 2 курса магистратуры Тамбовский государственный технический университет
(г. Тамбов, Россия)
ВИДЫ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация: в данной статье рассматриваются различные виды наполнителей, использующихся при создании современных композиционных материалов, описываются их свойства, преимущества и недостатки.
Ключевые слова: наноматериалы, композит, полимер, полимерный композит.
Наиболее распространенным наполнителем современных композитов являются волокна, основными характеристиками которых являются модуль Юнга, прочность и сопротивление ползучести при различных температурах.
Модуль упругости является структурно-нечувствительной характеристикой, он определяется характером межатомного взаимодействия, поэтому упругие характеристики материала практически не зависят от геометрии, которой он представлен. Большинство конструкций должны сохранять свою первоначальную форму, чтобы обеспечить выполнение их функций - отсюда вытекают требования к жесткости материала (модулю упругости). Гибкие структурные элементы не должны терять устойчивость, что также зависит от жесткости элементов. Поскольку масса для многих машин и аппаратов является критическим значением, очень часто сравнение прочностных характеристик материалов приводит не к величине модуля упругости, а к величине удельного модуля (отнесённого к весу). По этому показателю металлы и сплавы значительно уступают композитам.
Волокно и трехмерное тело, с точки зрения силы и разрушения, ведут себя по-разному. Высокопрочные волокна могут иметь монокристалл (сапфир), аморфную (стеклянную) или поликристаллическую структуру (углерод, бор, оксиды, это как правило наноструктурированные волокна).
Самым известным волокном является углеродное. Углеродные волокна имеют исключительно высокую термостойкость: при тепловом воздействии до 1600-2000 °С в отсутствие кислорода механические характеристики волокна не изменяются, что способствовало их использованию в качестве теплоизоляционного материала и тепловых экранов в высокотемпературной технике. Эти волокна устойчивы к агрессивным химическим средам, но окисляется при нагревании в присутствии кислорода. Их максимальная рабочая температура в воздухе составляет около 300-370 °С. Нанесение тонкого слоя карбида кремния или нитрида бора на углеродное волокно позволяет существенно поднять рабочие температуры в воздушной атмосфере. Из-за их высокой химической стойкости углеродное волокно используется для фильтрации агрессивных сред, изготовления защитных костюмов, очистки газов. Изменяя условия термообработки, можно получить волокна из углерода с различными электрическими свойствами и использовать в качестве электрических нагревательных элементов. Активация углеродного волокна позволяет получить материал с большой активной удельной поверхностью (3001500 м2/г), что позволяет увеличивать адгезию к матрице. Из-за низкой плотности (1,7-1,9 г/см3) с точки зрения удельной прочности (отношение прочности и модуля к плотности) механические свойства лучших углеродных волокон превышают все известные теплостойкие волокнистые материалы. На основе углеродных волокон получены углерод-углеродные композиты с высокой абляционной стойкостью. Однако удельная прочность углеродных волокон уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон. На их основе с использованием полимерных связующих, получают конструкционные углепластики.
Требование высокой жесткости волокна часто противоречит требованию высокой прочности. Прослеживается чёткая зависимость модуля упругости от структуры волокна: чем лучше слои графита ориентируются относительно оси волокна, тем выше модуль упругости. Прочность волокна зависит от многих параметров структуры, но главная роль в снижении потенциально высокой прочности современных волокон — это дефекты волокна, размер которых значительно превышает характерные размеры структуры волокна.
Борные волокна получают методом СУО-методом восстановления хлорида бора водородом на вольфрамовой нити при температурах в диапазоне от 1000 до 1300 °С. Наноструктура бора определяет высокую прочность волокна на короткой длине. Нанокристаллическая структура волокна шероховата в результате рекристаллизации, которая активно протекает при температурах 700800 °С — это приводит к резкому падению прочности.
Поликристаллические оксидные волокна привлекательны для потенциально высоких механических характеристик и стойкости к окислению в конструкционных материалах. Эти волокна содержат оксиды алюминия и кремния в разных пропорциях. Технология получения таких волокон включает в себя процессы прядения, пиролиза, спекания; результатом является наноструктура. Лучшие, с точки зрения теплостойкости, волокна состоят в основном из муллита.
Первым объектом, приближающимся к наномасштабам, были нитевидные кристаллы диаметром около 1 мкм, которые начали интенсивно изучаться с 1960-х гг., и эти работы продолжались несколько десятилетий, пока их канцерогенность не была обнаружена и работы в направлении технологического использования этих совершенных кристаллов с прочностью, близкой к предельной, практически сразу прекратили. Еще более совершенными и уникальными по-своему строению и характеристикам оказались углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки (УНТ) являются одной из модификаций углерода и представляют собой нитевидные наночастицы из атомов углерода
или других элементов, содержащую протяженную цилиндрическую структуру диаметром от одного до нескольких десятков нанометров. УНТ могут иметь слоистое строение из двух и более слоёв, которые образуются при сворачивании графеновых плоскостей.
Дисперсные наполнители являются наиболее распространенной формой наполнителей композитов, которые представляют собой различные вещества органического и неорганического происхождения. Как правило, размер частиц не превышает 40 мкм, но для создания нанокомпозитов используются частицы размером менее 0,1 мкм. Содержание дисперсных наполнителей в композитах варьируется в широких пределах - от нескольких процентов до 70-80% масс. Такие материалы, как правило, изотропны, но асимметричная форма частиц при условии, что ориентация проявляется в процессах обработки, может привести к возникновению некоторой анизотропии свойств, что более типично для волокнистых наполнителей.
Среди наиболее важных требований к дисперсным наполнителям: способность сочетаться с матрицей и диспергироваться в ней, смачиваться расплавом или матричным раствором, отсутствие склонности к агломерации частиц, равномерностью их размера и низкой влажностью.
Основными структурными параметрами наночастиц являются их размер и форма. Физические, электронные и фотофизические свойства наночастиц и кластеров, определяемые их чрезвычайно высокой удельной поверхностью (отношение поверхности к объему), значительно отличаются от свойств как макроматериала, так и отдельных атомов. Свойства конечного нанокомпозитного материала зависят от характера взаимодействия между фазами и структурой межфазных областей, объемная доля которых чрезвычайно велика и конечно же от наноэффекта.
В настоящее время наиболее широко используются следующие типы наноразмерных наполнителей композитных наноматериалов: наночастицы сферической или неправильной формы, включая частицы металлов и сплавов,
частицы наноалмаза и нанографит, нитриды, карбиды, бориды, различные простые и сложные оксиды. Размер частиц составляет от 15 до 100 нм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Wilson, D.M. High performance oxide fibers for metal and ceramic composites / D.M. Wilson, L.R. Visser // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2001. - N. 32. - P. 1143-1153.
LaBelle H.E., Jr., Mlavsky A.I. Growth of sapphire filaments from the melt / H.E. LaBelle, A.I. Mlavsky // Nature. - 1967. - N. 216. - P. 574-575. Birchall, J.D. Toxicity of silicon carbide whiskers / J.D. Birchall, D.R. Stanley, M.J. Mockford, G.H. Piggot, P.J. Pinto // J. Mater. Sci. Lett. - 1988. - N. 7. - P. 350-352. Stanton, M.F. Carcinogenicity of fibrous glass: pleural response in the rat in relation to fibre dimension / M.F. Stanton, M. Layard, A. Tegeris, E. Miller, M. May, E. Kent // J. Natl. Cancer Inst. - 1977. - N. 58. - P. 587-597.
Lishnih M.A.
2nd grade master student Tambov State Technical University (Russia, Tambov)
TYPES OF FILLERS FOR CREATING POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS
Abstract: This article discusses various types offillers used in the creation of modern composite materials, describes their properties, advantages and disadvantages.
Keywords: nanomaterials, composite, polymer, polymer composite.
