Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

131

характеристики горения следует, по возможности, проверить и

такие физические параметры, как плотность, цвет, механические

свойства. Химические свойства пластмасс не могут быть

использованы при экспресс - идентификации.

Таблица 22.

Характер горения на воздухе некоторых пластмасс.

Пластмасса Характеристика

пламени

Запах при горении

Полистирол Желто-белое, с

каплеобразованием,

сильно коптящее

Цветочный

Полиэтилен и

полипропилен

Светло-желтое,

самогорящее, с

каплеобразованием

Расплавленного

парафина

Винипласт Зеленое (вне пламени

не горит)

Хлора

Оргстекло Желтое, самогорящее,

без копоти

Герани

Капрон и нейлон Голубоватое,

самогорящее, с

каплеобразованием

Жженого волоса

Полиакрилат Синеватое,

самогорящее, с

потрескиванием

Фруктово-

сладковатый

Целлулоид Белое, яркое, без

копоти (загорается

мгновенно)

Камфоры

Нитроцеллюлоза То же Без запаха

Фторопласт Светло-желтое,

самогорящее, сильно

коптящее

То же

Поливинилхлорид Желтое, самогасящееся

(образец обугливается

и коптит)

Фруктово-

сладковатый

Эпоксидный компаунд Желтое, самогорящее,

сильно коптящее

Жженой резины

Экспресс – методы контроля некоторых свойств стекла и

керамики. Физические свойства стекла и керамики зависят от

технологии их изготовления. Например, такое важное свойство

стекла, как его термическое расширение определяется составом

входящих в него компонентов, а газопроницаемость керамики —

132

температурой ее спекания. Поэтому использование стекла или

керамики неизвестной марки (особенно в лабораторном

эксперименте) может привести к серьезным последствиям.

Методом «двойной нити» можно установить коэффициент

термического расширения (КТР) стекла неизвестной марки с

точностью (1—3) 10

-7

-1

. Суть метода заключается в обнаружении

изгиба стеклянной нити, спаянной из двух стекол с известным и

неизвестным КТР. Если при остывании двойная нить изогнется, то

это свидетельствует о том, что КТР стекол, из которых вытянута

нить, различны. При отсутствии изгиба КТР известного и

неизвестного стекла равны.

133

Тема 3. Композиты

Глава 1. Композиционные гетерофазные материалы

§1. Классификация и схемы армирования композиционных

материалов [2]

Ориентирование волокон по структурным признакам. В

широком смысле понятия «композиционный материал»,

«композит» включают в себя любой материал с гетерогенной

структурой (состоящей из двух и более фаз), что позволяет отнести

их к числу композиционных большинство применяемых в

технике материалов. Композиционные материалы (КМ) имеют

ориентированную структуру, по структурным признакам. Они

могут быть разделены на две основные группы: волокнистые и

слоистые; дисперсно - упрочненные (ДУ) и материалы с

покрытиями.

Волокнистые композиты состоят из матрицы, содержащей

упрочняющие одномерные элементы в форме волокон

(проволоки), нитевидных кристаллов и др. Слоистые композиты

— набор чередующихся двухмерных армирующих компонентов в

виде листовых, пластинчатых и фольговых материалов и т.д.,

жестко связанных между собой по всей поверхности их раздела. У

волокнистых и слоистых материалов несущим элементом служит

армирующее волокно, проволока, фольга (фаза - упрочнитель).

Армирующие элементы по своей природе имеют высокую

прочность, весьма высокий модуль упругости и, как правило,

сравнительно низкую плотность.

В волокнистых композитах матрица объединяет волокна или

другие упрочняющие элементы в единый монолит, защищая их от

повреждений. Матрица является средой, передающей нагрузку

волокнам, а в случае разрушения отдельных волокон

перераспределяет напряжения в объеме композита. Кроме того, ее

механические свойства определяют характер поведения материала

при сдвиге, сжатии и усталостном разрушении.

В волокнистых и слоистых КМ, компоненты которых

выбирают с учетом их оптимального взаимодействия, структура

формируется искусственно при изготовлении материала в

134

процессе намотки, укладки волокон или деформации. В

эвтектических сплавах с однонаправленной структурой последняя

формируется подобно традиционным сплавам в процессе

кристаллизации. Такие системы называют естественными

композиционными материалами, так как упрочняющая фаза в них

кристаллизуется из расплава в виде иголок (нитевидных

кристаллов), стержней или пластин. По виду структуры эти

материалы мало отличаются от волокнистых композитов,

полученных искусственным сочетанием матрицы и упрочнителя.

Кроме того, упрочнители в эвтектических композитах — иголки

или пластинки — незначительно отличаются по механическим

свойствам от нитевидных кристаллов (усов), имеющих высокие

механические свойства. Особенностью структуры эвтектических

КМ является исключительно хорошее сопряжение матрицы с

упрочнителем, а также высокая структурная стабильность таких

композитов.

В волокнистых композиционных материалах технологическая

схема и соблюдение режимов их получения оказывают

существенное влияние на формирование структуры и свойств КМ.

При этом следует исходить из условий:

- технологический процесс должен обеспечить равномерное

распределение волокон при заданном их объемном содержании,

волокна должны быть изолированы слоями матрицы;

- механическое повреждение волокон должно быть сведено к

минимуму;

- взаимодействие волокон с окружающей средой и с матрицей

в процессе их совмещения и снижения при этом прочности

волокон должно быть минимальным.

При использовании хрупких волокон (борных, углеродных,

карбида кремния и др.) целесообразно применять при изготовлении

изделий методы осаждения матриц из жидкого или газообразного

состояния, в то время как в случае применения металлической

проволоки более приемлемы методы деформационного

уплотнения (прокаткой, экструзией), взрывного прессования и др.

В ряде случаев существенное влияние на структуру и свойства

оказывает термическая обработка КМ.

В дисперсноупрочненных композиционных материалах

(ДУКМ) несущим элементом служит матрица, в которой с

помощью множества ультрадисперсных, практически не

135

растворяющихся в ней частиц и однородной дислокационной

структуры создается эффективное торможение дислокаций, вплоть

до температуры начала плавления. Такие материалы содержат

равномерно распределенные в объеме матрицы ультрадисперсные

нульмерные частицы, не взаимодействующие активно с матрицей и

не растворяющиеся в ней.

В дисперсноупрочненных материалах оптимальным

содержанием дисперсной фазы считается 15—20 объема,%;

ультрадисперсные частицы, в отличие от непрерывных и

дискретных волокон в волокнистых композитах, создают только

«косвенное» упрочнение, т.е. благодаря их присутствию

стабилизируется структура, формирующаяся при деформационной

термической обработке. В дисперсноупрочненных материалах,

предназначенных в основном для работы при повышенных

температурах, компоненты выбирают с позиции их минимального

взаимодействия. В этих КМ кроме прямого взаимодействия

дислокаций с упрочняющими частицами большую роль играют

границы зерен или субзерен, которые дают дополнительный вклад в

повышение прочности КМ при низких и повышенных

температурах.

Структурное конструирование является всегда итерационным

процессом, начинающимся с создания конструкторских

представлений о целесообразных путях использования новых

материалов. Характеристики композиционных материалов

характеризуются большим числом условий: особенностью

конструкции, возможностью производства, испытаний и

эксплуатационными характеристиками.

Классификация композиционных материалов по способу

получения и ориентации наполнителя в матрице. По ориентации и

типу арматуры {конструкционный принцип) конструкционные

композиты можно разделить на изотропные и анизотропные.

Изотропными принято считать композиционные материалы,

свойства которых одинаковы в различных направлениях. К числу

изотропных относят композиты с хаотично ориентированными

волокнами в матрице. В таких композитах в качестве упрочняющей

составляющей применяют дискретные волокна.

Анизотропные КМ — материалы, свойства которых зависят от

направления армирования матриц волокнистыми упрочнителями. К

таким композитам относят однонаправлено - и

136

трехмерноармированные материалы. Анизотропия КМ

конструкционна, и ее проектируют, исходя из условий нагружения

материала в изделии.

Ортотропными (ортогонально анизотропными) называют

композиционные материалы с тремя взаимно перпендикулярными

плоскостями симметрии свойств в элементарном (и макро -)

объеме. К таким материалам относят композиты, матрица которых

армирована волокнами с продольно - поперечной укладкой.

Трансверсально изотропными принято считать

композиционные материалы, имеющие плоскость изотропии и

перпендикулярную к ней ось симметрии и-го порядка. К таким

композитам могут быть отнесены однонаправленноармированные

КМ, плоскость изотропии, которых перпендикулярна к

направлению х-укладки волокон.

По способу получения (технологический принцип)

композиционные материалы делят:

1) на получаемые методами жидкофазной технологии (про-

питка армирующей составляющей композита матричными

расплавами или формирование армирующей фазы непосредственно

в расплавах эвтектического состава, с последующей

кристаллизацией системы);

2) на производимые по твердофазным технологиям (горячее

прессование, диффузионная сварка, взрывное прессование);

3) сформированные методами электрохимического,

химического и парогазового осаждения компонента системы на

поверхность армирующих сред и получения таким образом

компактных конструкционных материалов.

По назначению {эксплуатационный принцип) композиты

общеконструкционного назначения с учетом условий

эксплуатации: жаропрочные и жаростойкие (облицовка каналов

МГД - генераторов); высокотемпературные (Т

пл

< 1662

С);

сверхвысокотемпературные (T

пл

>1749 °С); прочные,

сверхпрочные; обладающие высокими электрескими показателями

и т. д.

При создании перспективных композиционных материалов

необходимо учитывать стабильность физико-механических свойств

композитов в заданном температурном интервале их эксплуатации.

Однако четкие границы температур эксплуатации элементов

конструкции технических систем не регламентированы до

137

настоящего времени. При определении области низких, высоких и

сверхвысоких температур должны быть учтены критерии,

позволяющие корректно разделить температурный интервал 25—

4000

С на области низких, высоких и сверхвысоких температур.

Схемы армирования композиционных материалов. К

композитным материалам (композитам) относят материалы со

специально сконструированной структурной композицией,

обеспечивающих получение высоких параметров изделий.

Композиционные материалы обычно представляют собою матрицу

- основу, упорядочено заполненную наполнителем, обеспечивающим

рабочие характеристики материала. В качестве наполнителей берут

так называемые "усы" (монокристаллические

металлические нити

высокой прочности), волокна из стекол, графита или пластиков,

холоднотянутую металлическую проволоку и т.п.

Получающиеся композиционные системы имеют

многофазную упорядоченную структуру типа "металл-металл",

"металл-химическое соединение (окислы, нитриды, карбиды)",

"металл-пластик" и другие сочетания. При определенных

условиях к композитам можно отнести армированный бетон

(железобетон), биметаллические провода (

алюминий - сталь),

плакированные листы (нержавеющая сталь-сталь, сталь - пластмасса,

трехслойные композиции) и т. п.

Рис. 19. Классификация ударных нагрузок и факторов, действующих на

композиционные материалы.

Динамическая нагрузка

Низкоскоростной удар

<100 м/с)

Высокоскоростной

удар(v

<1000 м/с)

Сверхскоростной удар

>1000 м/с)

Поведение

композитного

материала

Внешние усилия

Содержание компо-

нентов, входящих в

композит

138

Часто используемой характеристикой композитов является

геометрия компонентов и их взаимного расположения. В частности,

в зависимости от формы армирующей фазы композиты делят на

нульмерные (а), одномерные (б) и двухмерные (в) (рис. 19).

Нульмерные композиты в свою очередь подразделяются на

полидисперсные и с дискретными волокнами (рис. 20).

а) б) в)

Рис. 22. Формы армирующей фазы композита: а. полидисперсные,

б. одномерные, в. двухмерные.

По расположению компонентов в матрице композиты делят на 3

группы: с одноосным (линейным расположением армирующего

компонента (а), с двухосным (плоскостным, б) и с трехосным

(огбъемным, в) (рис. 21).

а) б) в)

Рис. 21. Расположение компонент в матрице: а. одноосные, б. двухмерные,

в. трехмерные (объемным).

Основные свойства пространственно - армированных

структур. Известно несколько способов создания пространственно -

армированных структур. Принцип создания композиционных

материалов заключается в использовании строительной пластичной

матрицы, в которой размещены волокна или прочного (хрупкого)

материала. Небольшое различие в длине волокон вызовет разлад в их

139

совместной работе. Более короткие волокна выйдут из строя первыми,

когда напряжение в более длинных еще довольно низкие. Расчетная

зависимость влияния объемной доли армирующих непрерывных

волокон на прочность при растяжении модельной композиции

приведена на рис. 21. Прочность композиции определяется прочностью

не матрицы, а арматуры. Критическая длина волокна к его диаметру

определяется следующим соотношением

кр

= σ

к мах

/σ

м.т

, где σ

м.т

- критическое напряжение сдвига для

матрицы;

к мах

- максимальное напряжение на волокне; d

– диаметр

волокна; l

кр

– длина трещины в композите. Волокна не обязательно

могут быть непрерывными. Существует понятие

критической длины

волокон

. Если она не меньше определенной величины, то

композиционный материал лишь незначительно уступает прочности

композиции с непрерывными волокнами.

На механические свойства композиционных материалов

существенное влияние оказывают химический состав, технология

получения, механическая обработка и др. Важной отличительной чертой

композиционных материалов является зависимость их механических

свойств от направления (анизотропия). Покажем роль анизотропии на

примере ряда конструкционных материалов. Рассматриваются малые

деформации, ε < 10%. Результаты опытов, проводимых при нормальных

устройствах (20° С ) показали, что существенных фактором, влияющим

на σ - ε- диаграмму , является скорость приложения внешней нагрузки к

поверхности образца (рис. 23).

Рис. 22. Зависимость механической прочности от доли волокон

композиционном материале.

140

При динамических испытаниях уровень напряжений меньше

примерно в 1,4 раза по сравнению со статическими. Имеет место

сильная анизотропия.

.Рис. 23. Зависимость σ = f(ε) для композиционного материала.

§2. Композиционные материалы с металлической

матрицей

Волокнистые материалы в металлической матрице.

Композиционные материалы с волокнистым наполнителем

(упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на

дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру

l/d ≈

10 ÷ 10

, и с непрерывным волокном, в которых l/d =

∞

Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр

волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение

длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой

слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим

числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно

армировать также непрерывными волокнами, сотканными в

ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и

длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна

сплетают в трехмерные структуры.

дc

Динамическое

нагружение

Статическое

нагружение