Лекция 3. 1.6. Гомогенные КМ.Газонаполненные

1.6. Гомогенные КМ.Газонаполненные. Дисперснонаполненные. КМ с взаимопроникающими фазами

Если анализировать определения КМ, то термин гомогенный может быть применим лишь с рядом ограничений.

Чтобы понять это нужно учесть, что при рассмотрении структуры любого материала имеется три уровня:

δ-уровень – это микроскопический уровень (микроуровень).

Рассмотрение структуры на этом уровне требует использование микроскопа с увеличением от 100 до 1000 крат (микроуровень). На микроуровне все КМ гетерогенны.

Более высокий уровень организации материала переходный или S-уровень.

s-уровень – это элементарный объем КМ, который включает все элементы структуры (например: гелькоут ‑ футеровочный слой, силовой слой на основе холста; эмульсионного стеклохолста – силовой слой на основе стеклоткани, три огнезащиты).

При рассмотрении изделия в целом говорят про L-уровень.

Гомогенные КМ рассматриваются как материалы, обладающие одинаковыми однородными свойствами на s-уровне. В зависимости от агрегатного состояния компонентов в КМ различают несколько типов композитов как структурных систем: твердое – газ, твердое – жидкость, твердое – твердое.

Системы твердое – газ – это КМ типа пенопластов, поролонов, твердых пен, в которых газовая фаза (воздух, СО₂) распределена в матрице полиэтилена, бутадиен-стирольного каучука, эпоксидной смолы, полистирола и т.п.

Системы твердое – жидкость – это материалы типа желеобразных существ (медузы), искусственных изделий типа желатиновая оболочка, наполненная нитроглицерином.

Системы твердое – твердое – это КМ, состоящие из полимерной матрицы с твердыми частицами наполнителя различной формы и разделов. Частицы неправильной формы (а), которые получаются при измельчении минералов (глина).

Форма может быть сферической (б) (например: стеклосферой, которая может быть пустотелой).

Дисперсным наполнителем могут являться иглы (в) кристаллов неорганических веществ.

Наполнителями могут являться пластинчатой формы (г) в виде ромба или прямоугольника (тальк, графит).

Часто для наполнения применяются искусственные или природные волокна (д) искусственные (стеклянные, борные); природные (асбест). Длина волокон до 50-70 мм. Каждый наполнитель оказывает значительное влияние на физико-механические свойства КМ: σ_р и σ_сж, модуль упругости Е_раст, а также на специальные свойства: теплопроводность, электропроводность, коэффициенты линейного расширения, модуль упругости, а также реологические характеристики, поэтому выбор формы частиц неслучаен.

Разновидность КМ твердое – твердое представляют структуры со взаимопроникающими друг в друга компонентами, непрерывная матрица и дискретный, с точки зрения распределения в матрице, но непрерывный, с точки зрения протяженности в одном направлении. К подобным материалам относятся в частности АБС пластики в которых высокоэластичный наполнитель (Н) распределен в стеклообразной матрице (М) полистирола, в результате возникает ударопрочная система, наполнитель которой арматизирует напряжение, возникающее в матрице.

1.7. Анизотропные КМ

В отличие от рассмотренных раннее изотропных, точнее квазитропных, материалов материалы этого типа имеют резко отличающиеся физико-механические свойства в различных направлениях. Это позволяет при одной и той же удельной прочности (К) материала концентрировать повышенную прочность или жесткость в направлении, где возникают максимальные перегрузки.

Все многообразие анизотропных КМ можно свести к пяти типам структур. Каждая структура имеет свою физическую и математическую модель, рассматриваемую в дисциплине “Механика КМ”.

Пять видов структур:

а). Однонаправленная

б). Ортогональноармированная структура

в). Косая (перекрестная) армированная структура

г). Слоистая структура

д). Объемное армирование

Однонаправленная, одноосноориентированная структура (а) позволяет максимально эффективно использовать прочностные свойства армирующего наполнителя, но только в одном направлении – направлении действия основных нагрузок. В этом направлении достигается максимальная прочность композита, составляющая 60-70% от прочности волокон. Например: для углеродных σ_р УВ =300 МН/м², прочность композита 180-210 МН/м². В то же время подобный композит в перпендикулярном направлении имеет 25-30 МН/м².

Ортогонально армированный композит имеет два направления армирования 0^о и 90^о. благодаря этому максимальная нагрузка воспринимается в двух направлениях. разрушающее напряжение в которых достигает 80-95 МН/м².

Косая (перекрестная) структура армирования угол α=57^о-58^о обеспечивает квазиоднородное восприятие нагрузки во всех направлениях. Подобная структура реализуется в трубных стеклопластиковых системах.

Слоистое армирование листовым наполнителем, древесный шпон в фанере, стеклоткань или хебеткань в текстолитах, бумага в гетинаксах позволяет получать анизотропную равнопрочную конструкцию.

Объемно армированнные композиты применяются в том случае, когда нагрузка от внешних сил реализуется во всей трехмерной системе координат. В этом случае возникает равнопрочная объемная структура, хотя и с несколько меньшими значениями прочности 40-70 МН/м².

1.8.Классификация КМ по назначению,функциям, компонентам.

При описании КМ принимают во внимание различные факторы. Так наполнитель дает название КМ: стеклопластик, боропластик, металлопластик, органопластик. В зависимости от типа наполнителя говорят о дисперснонаполненных, волокнистых или дисперсно-волокнистых КМ. В последнем случае (премиксы) наноносителем являются как волокно длиной до 50 мм, так и порошкообразные наполнители (глина, мел).

Армированные пластики в отличие от перечисленных наполняются непрерывными волокнами или текстильными изделиями на их основе: сетками, тканями, различные структуры.

По назначению КМ могут быть общетехнической прочностью до 35 МН/м² и инженерно-технической прочностью выше 50 МН/м². По назначению КМ являются материалы электро-технического, фрикционного, антифрикционного, самонесущего, защитно-изоляционного, силового назначения.

По методу изготовления (получения, формования) КМ делятся на формованные контактным способом (ручная выкладка, напыление), прессовочные, пултрузионные, литьевые, заливочные (компаунды) материалы.

.