композиционные материалы

Ключевые слова:
матрица, прочность, термореактивный, ударопрочность

Сначала - о главном. Композит - это любой материал, сделанный из более чем одной составляющей. Вокруг нас много композиционных материалов. Железобетон - это композиционнный материал . Он сделан из цемента, гравия и песка, и для усиления в нем проложены стальные стержни. Баллоны, которые вам дают в больнице, когда вам становится плохо, тоже сделаны из композита, состоящего из листов полиэфира и алюминиевой фольги, сложенных как бутерброд.

На этой странице мы будем в основном рассказывать о полимерных композиционных материалах. Очевидно, что имеются в виду композиционные материалы, сделанные из одних полимеров или из полимеров в сочетании с другими материалами. Но особенное внимание мы уделим композиционным материалам, усиленным волокнами, или волокнитом. Это материалы, в которых волокно, сделанное из одного материала заключено внутри другого материала. Почему мы это делаем? Давайте выясним. ..

Сухой

Я ужасно сожалею, что мне придется разочаровать вас, любители рок-н-ролла, но этот раздел не имеет ничего общего с Поли Джин Харви (Polly Jean Harvey), хотя он и имеет отношение к Битлз, как вы увидите, если продолжите его читать. Так или иначе, давайте начнем свой рассказ с примера одного из первых полимерных композиционных материалов на волокнистой основе. Давным давно люди, жившие в Южной и Центральной Америке, использовали натуральную латексную резину, полиизопрен, чтобы делать такие вещи как перчатки и ботинки, а также резиновые мячи, которые они использовали для игры, очень напоминающей современный баскетбол. Но если вы когда-то надевали резиновые перчатки, то вы знаете, что плащ, сделанный из латексной резины будет весьма неудобным. Поэтому где-то в середине девятнадцатого века человеку по имени Чарльз Макинтош пришла в голову замечательная идея...

Он взял два слоя хлопчатобумажной ткани и поместил их в натуральную резину, известную также как полиизопрен, сделав таким образом трехслойный пирог, как вы можете видеть справа. (Как вы помните, хлопок является одной из форм природного полимера, называемого целлюлозой.) И это позволило сделать хорошие плащи, поскольку резина сделала их непромокаемыми, тогда как слои хлопка сделали их приятными и удобными в обращении. И по сей день плащи в Великобритании называют "макинтош", или сокращенно просто "мак". Вот почему Битлз в своей песне "Пенни Лейн" Битлз поют такие слова: "А банкир никогда не носит мак /Даже под проливным дождем, что очень странно".

Вы понимаете, что это и является причиной, по которой мы делаем композиционные материалы: чтобы сделать материал, который обладал бы свойствами обеих своих составляющих. В данном случае мы соединяем водонепроницаемость полиизопрена и гигиеничность хлопка.

Современные композиционные материалы обычно состоят из двух компонент: волокна и матрицы, то есть непрерывной фазы. В качестве волокна как правило используется стекловолокно, но иногда Кевлар, углеродное волокно или полиэтилен. Матрица обычно является термореактивным материалом таким как эпоксидная смола, полициклопентадиен или полиимид. Волокно интегрируется в матрицу для того, чтобы сделать матрицу прочнее. Композиционные материалы, усиленные волокнами (волокниты) имеют два важных достоинства. Они прочные и легкие. Они часто прочнее стали, но при этом гораздо легче. Это означает, что композиты могут быть использованы для облегчения конструкции автомобилей, что позволит автомобилям расходовать гораздо меньше горючего. А это также означает, что уменьшится загрязнение окружающей среды.

Что делают волокна

Распространенным волокнитом является фибергласTM. Его матрица получается при взаимодействии полиэфира с двойными углерод-углеродными связями в его скелете и стирола. Мы заливаем массу стекловолокна стиролом и полиэфиром.
Стирол и двойные связи полиэфира взаимодействуют по механизму радикальной виниловой полимеризации с образованием пластика с трехмерной структурой. Стекловолокно заключено внутри этой структуры и служит для ее укрепления.

В фибергласеTM волокна не выстроены в каком-либо выбранном направлении. Они представляют собой просто запутанную массу, как вы видите на рисунке справа. Но мы можем сделать полимер еще прочнее за счет выстраивания всех волокон в одном направлении. Выстроенные в одном направлении волокна придают композиционному материалу весьма необычные свойства. Если вы растягиваете материал в направлении волокон, он оказывается очень прочным. Однако если вы станете его растягивать в направлении перпендикулярном направлению волокон, то он будет совсем непрочным.

Это не всегда является недостатком, поскольку иногда нам нужен композиционный материал, прочный только в одном направлении. Просто иногда деталь, которую вы собираетесь сделать, будет подвергаться нагрузкам только в одном направлении.

Но иногда нам нужно, чтобы изделие было прочным более, чем в одном направлении. Тогда мы попросту направляем волокно более чем в одном направлении. Для усиления композитного материала мы использовали ткань, сделанную из волокна ткань Ткань сообщает композитному материалу прочность во многих напралениях.

Что делает матрица

А что же матрица? Мы рассказали о том, что волокно делает для матрицы, но что же матрица делает для волокна. Почему бы не использовать волокна в чистом виде? Во-первых, матрица соединяет, склеивает их. Просто редкий пучок волокон ни на что не годится. К тому же, хотя волокна и прочны, но они могут быть хрупкими. А матрица может поглощать энергию за счет деформации под нагрузкой. То есть матрица придает композиционному материалу ударопрочность. И наконец, хотя волокна и характеризуются хорошей прочностью на разрыв, но их прочность на сжатие при этом катастрофически мала. Это значит, что волокна ломаются, если их сдавить. А матрица придает придает композиционному материалу прочность на сжатие.

Если вы хотите узнать больше о том, что значит быть прочным и ударопрочным одновременно, и вообще разницу межде прочностью и ударопрочностью, посмотрите на нашу страницу, рассказывающую о Механических свойствах полимеров.

Сравненительные Характеристики Волокон

Не все волокна одинаковы. У всех из них есть достоинства и недостатки. Стекло является одним из наиболее часто используемых волоконных материалов. Почему? Потому что оно очень дешево. Вам может показаться странным, что стекло используется для усиления, ведь его так просто разбить. Уж я это знаю, поскольку за годы работы перебил немало химической посуды в лаборатории. Но в силу некоторых причин, когда стекло вытянуто в виде очень длинных и тонких нитей, оно ведет себя совершенно иначе. Стекловолокно прочное и гибкое.

На самом деле... Знаете ли вы, из чего были сделаны те хрустальные туфельки, в которых Золушка танцевала на балу? Нет, они были сделаны не из простого стекла. На самом деле они были сделаны из композиционного материала, усиленного стекловолокном, или стекловолкнита. Конечно, вы только подумайте! Хрустальные туфельки? Да они бы разбились, как только Золушка шагнула на гравий дорожки перед дворцом Принца! И если даже этого и не произошло, то уж наверняка бы они вдребезги разбились, когда неуклюжий Принц наступил ей на ногу во время танца. Но туфельки, сделанные из стекловолокнита были бы достаточно прочными, чтобы выдержать, если на них с размаху наступит самая большая королевскя нога!

И все-таки, существут даже более прочные волокна. И это хорошо, поскольку иногда прочности стекла бывает недостаточно. Для некоторых изделий, таких как детали самолетов, которые должны выдерживать значительные нагрузки, вам необходимы более хитрые волокна. Если речь не идет о цене, то вы можете использовать более прочные, но и более дорогостоящие волокнистые материалы, как Кевлар, углеродное волокно или Спектра. Углеродное волокно обычно прочнее Кевлара, то есть может выдерживать большие нагрузи без разрушения. Но Кевлар как правило обладает более высокой ударопрочностью. Это означает, что он может поглощать большую энергию без разрушения. Чтобы избежать разрушения, он может растянуться в большей степени, чем на это способно углеродное волокно. Но материал СпектраTM, который является разновидностью полиэтилена, обладает одновременно и большей прочностью, и большей вязкостью, чем углеродное волокно и Кевлар.

Сравнительные Характеристики Матриц

Для разных приложений требуются и различные матрицы. Если мы хотим сэкономить деньги, то на этот лучай существует несколько дешевых материалов для матриц с вполне достойными свойствами. Уже рассмотренные нами ранее системы из ненасыщенных полиэфира/полистирола могут служить одним из примеров. Они отлично подходят для повседневных приложений. Кузова автомобилей Шевроле Корвет (Chevrolet Corvette) делаются из композитов с использованием стекловолокна и матрицы из ненасыщенного полиэфира. Но у них есть и недостатки. Они весьма сильно сокращаются при затвердевании, могут очень хорошо поглощать воду, а их ударная вязкость низка. К тому же они не слишком устойчивы к воздействию химически активных веществ.emically resistant.

Другой дешевой системой является так называемая полиэфирная смола. Первым шагом при изотовлении полиэфирной смолы является взаимодействие диэпоксида с акриловой кислотой или метакриловой кислотой:

Потом вы полимеризуете виниловые группы и получаете смолу с трехмерной структурой. Иногда мы используем более крупные олигомеры, которые вглядят вот так:

А отверждаются они таким же образом, полимеризацией виниловых групп. Полиэфирные смолы обладают некоторыми преимуществами по сравнению с ненасыщенными полиэфирами. Они не поглощают так сильно воду и отнюдь не так сильно сжимаются при отвердевании. К тому же они обладают высокой химической устойчивостью, а за счет наличия гидроксильных групп хорошо связываются со стеклом. Это весьма полезное свойство, если вы используете стекловолокно.

Но ни виниловые эфиры, ни ненасыщенные полиэфиры не годятся для применения при высоких температурах. При высоких температурах нам приходится использовать матрицы типаэпоксидных смол. Для их изготовления мы начинаем с диэпоксида, точно так же, как и при иззготовлении полиэфирных смол. Только на этот раз мы добавляем не акриловую кислоту. Вместо этого мы используем диамин. Эпоксидные группы будут взаимодействовать с диамином, и вся система становится сетчатой:

За счет всех этих гидроксильных групп эпоксидные смолы хорошо скрепляются со стекловолокном. И у них есть ряд свойств, которых невозможно добиться при использовании более дешевых материалов для матриц. Они не поглощают воду, не слишком сильно сжимаются при отвердевании. И они могут использоваться при более высоких температурах, в некоторых случаях вплоть до 160oC.

Но для применения изделий при действительно ОЧЕНЬ высоких темпратурах мы пока не нашли хорошего решения. Есть множество вариантов. Полиимиды хорошо выдерживают высокие температуры, но они сильно поглощают воду, что приводит к их разрушению. Полибензоксазолы хорошо выдерживают высокие температуры, но почти не поддаются обработке. Некоторые люди заинтересованы в создании полностью углеводородных матриц. Исследования в этой областью все еще ведутся.

Одно из самых интересных приложений - это аэрокосмическая промышленность. Сейчас большой интерес проявляется к созданию космического самолета, который мог бы долететь от Токио до Лос-Анджелеса за три часа. Этот самолет будет во время полета выходить на околоземную орбиту. Это значит, что ему придется снова входить в плотные слои атмосферы, а возвращение в плотные слои атмосферы приведет к генерации большого количества тепла на поверхности самолета. Для того, чтобы выдержать такую пытку, нужны композиционные материалы.

Вернуться в директорию Третьего Уровня

Вернуться в основную директорию Макрогалереи

Авторское право ©1996 | Факультет Науки о Полимерах | Университет Южного Миссисипи