Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Наряду с химической важно обеспечить механическую совместимость компонентов композиционного материала, т.е. соответствие их упругих постоянных, температурных коэффициентов линейного расширения и показателей пластичности, позволяющее достичь прочности связи, необходимой для эффективной передачи напряжений через поверхность раздела.

В композиционных материалах связи между матрицей и волокнами могут быть шести типов.

• Механическая связь осуществляется за счет чисто механического зацепления неровностей контактирующих поверхностей матрицы и волокна или за счет сил трения. Композиты с данным типом связи (Cu-W) имеют низкую прочность при поперечном растяжении и продольном сжатии.

• Связь путем смачивания и растворения реализуется благодаря силам поверхностного натяжения. Обычно смачивание сопровождается небольшим растворением компонентов. Этот тип связи реализуется при пропитке волокон расплавленной матрицей с отсутствием химических реакций (Мg—В до 673 К).

• Реакционная связь возникает при протекании химической реакции на границе раздела матрица—волокно (Аl—С, Тi—В, Тi—SiC) с образованием новых химических соединений (Al₄C₃, TiB₂, Ti₅Si₃).

• Обменно-реакционная связь является разновидностью реакционной связи, когда химическая реакция проходит в несколько стадий. Например, матрица из титана, легированного алюминием, взаимодействует с борными волокнами в две стадии. Вначале твердый раствор алюминия в титане реагирует с бором с образованием сложного диборида, который затем реагирует с титаном, образуя диборид титана и твердый раствор алюминия в титане.

• Оксидная связь (например, Ni—Al₂O₃) также может рассматриваться как разновидность реакционной связи, которая характерна для металлов, армированных волокнами из оксидов. Эта связь реализуется за счет образования шпинелей (NiAl₂O₄) либо оксидов металлов на границе раздела матрица—волокно.

• Смешанный тип связи возникает после разрушения оксидных пленок и начала химического и диффузионного взаимодействия в композитах типа Аl—В, Аl — нержавеющая сталь.

Смачивание — одна из важных характеристик межфазного взаимодействия в композиционных материалах, учитываемая при планировании их получения жидкофазными методами. Изготовление композита методом пропитки и обеспечение прочной связи между компонентами возможно только при условии, что жидкая матрица смачивает поверхность армирующих элементов.

Силы сцепления жидкости с твердым телом характеризуются работой адгезии, равной работе разделения их по межфазной границе и определяемой по уравнению Дюпре:

W_a=_т+_ж-_т-ж,

где—_т и _ж поверхностные натяжения твердого тела и жидкости соответственно, [Н/м]; _т-ж,— межфазное натяжение на границе раздела твердое тело—жидкость, [Н/м].

Смачивание характеризуется краевым углом смачивания (), образованным на стыке поверхностей жидкости с твердой фазой. Величина работы адгезии через  рассчитывается по уравнению Т.Юнга:

W_a=_ж(1+cos).

Условие самопроизвольного растекания жидкости по гладкой твердой поверхности имеет вид:

_ж+_т-ж,- _т0

При < 90 ° жидкость смачивает твердое тело, а при > 90 °— нет.

Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитов, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композита.

Существуют две причины, по которым композиты с наиболее высокими эксплуатационными свойствами армируются длинными волокнами, обычно непрерывными нитями. Для того чтобы в композите могла полностью использоваться высокая прочность армирующего материала, волокна должны принимать на себя большую нагрузку, вплоть до предельной разрывающей волокно. Иначе композит начнет разрушаться задолго до того, как напряжение достигнет предела прочности волокна. Поскольку нагрузка от матрицы на армирующее волокно передается сдвиговыми силами, действующими на его поверхность, площадь поверхности волокна должна быть намного больше площади сечения. Другими словами, армирующий элемент, чтобы эффективно нести нагрузку, должен в одном измерении быть значительно больше, чем в двух других. Для большинства волокон критическое отношение длины к диаметру, при котором оно выдерживает нагрузку, способную его разорвать, равно приблизительно 100:1.

Рис.7.2. Тканные структуры композиционных материалов. 1-двухосная, 2-трехосная, 3-вязаяная.

Таким образом, эффективность армирования композита непрерывными (длинными) волокнами выше, чем дискретными (короткими) волокнами или частицами. Есть еще одна причина, по которой непрерывные волокна стали основным армирующим элементом в перспективных композитах: их ориентация поддается строгому контролю, что дает возможность прогноза оптимального строения композиционного материала с точки зрения его эксплуатации.

Внутренняя геометрия высокопрочного композита обычно напоминает строение фанеры; он состоит из тонких слоев, каждый из которых армирован волокнами, ориентированными в одном направлении. Такие слоистые структуры получают обычным способом производства перспективных композитов с полимерной матрицей — предварительной пропиткой связующим компонентом лент или листов (изготовление препрегов) и их сборкой вручную. Последовательные слои могут быть ориентированы в различных направлениях, что придает материалу прочность и жесткость в нескольких направлениях. Недостатком таких композитов является отсутствие поперечного армирования как между слоями, так и в одном слое. Под действием экстремальной нагрузки композит может расслоиться, а волокна внутри слоя разделиться.

Кроме того, введение в металлическую матрицу большого количества однонаправленных волокон, с которыми она прочно связывается, понижает ударную вязкость композита по сравнению с матрицей в связи с ограничением возможности поглощения энергии удара путем пластической деформации. Вместо деформации матрица растрескивается. Для повышения ударной вязкости композитов используется метод армирования матриц различными тканями из волокон.

Исследования показали, что в композитах с металлической матрицей применение армирования трехмерным плетением из волокон дает существенный прирост ударной вязкости. Проводилось сравнение ударной вязкости неармированного алюминия, алюминия, армированного однонаправленными волокнами из оксида алюминия,.и алюминия, армированного пучками волокон в трехмерном плетении. В то время как пластичный неармированнын алюминии поглощал значительные количества энергии удара без разрушения, однонаправленный композит разрушался при значительно меньших ударных нагрузках. При этом композит с трехмерным армированном поглощал почти такое же количество энергии удара, как и нормированный металл. Армирование «в толщину», обеспечиваемое трехмерной волокнистой сеткой, предотвращает разрушение и заставляет возникшую трещину выбирать извилистый путь распространения, тем самым увеличивая рассеяние энергии удара.

Таким образом, свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью этого класса материалов является проявление достоинств составляющих компонентов, а не их недостатков.

Среди большого количества различных композиционных материалов важное место занимают полимерные композиты. Это такие материалы, как стекловолокниты, стеклотекстолиты, древесно-слоистые пластики, углепластики и др.

Стекловолокниты являются прочными конструкционными материалами. Стекловолокнит АГ-4В представляет собой куски стеклянных нитей, смоченные феноло-формальдегидной смолой с последующей подсушкой. В стекловолокните АГ-4С в качестве армирующего элемента используется однонаправленная стеклянная лента, которая и обеспечивает материалу необходимую механическую прочность.

Стеклотекстолиты изготавливаются на основе феноло-формальдегидных, эпоксидных, полиэфирных смол и стеклотканей. Они имеют высокие механические и электроизоляционные свойства, высокую теплостойкость, низкое водопоглощение. Их получают методом прессования на многоэтажных прессах с последующей механической обработкой.

Текстолиты изготавливаются на основе феноло-формальдегидной смолы и хлопчатобумажной ткани методом прессования. Они обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой прочностью при сжатии, небольшим водопоглощением, хорошими электроизоляционными показателями.

Древесно-слоистые пластики представляют композиционные материалы на основе древесного шпона и феноло-формальдегидной смолы. Обладают хорошими антифрикционными и прочностными свойсвами, высокой химической стойкостью.

Углепластики получают на основе углеродных волокон, эпоксидных и полиэфирных смол. Углеродные волокна получают из вискозного или полиакрилонитрильного волокна путем их термической обработки при температуре 1500-3000⁰С в инертной среде. При этом происходит процесс карбонизации и образования «кристаллической» фракции углерорда. Углепластики характеризуются высокой жесткостью, теплостойкостью и химической стойкостью.

8.ДИЭЛЕКТРИКИ.

Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры, стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно 10¹²-10²⁰Омм. Электрические свойства диэлектрика определяют область его применения, при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры. Характерной особенностью диэлектрика является способность поляризоваться в электрическом поле. Сущность поляризации заключается в смещении связанных электрических зарядов под действием поля. Смещенные заряды создают собственное внутреннее поле, которое направлено противоположно внешнему. Мерой поляризации является диэлектрическая проницаемость . Диэлектрической проницаемостью называется величина, показывающая во сколько раз емкость конденсатора, между пластинами которого находится диэлектрик (С_д), больше емкости такого же конденсатора с воздухом или вакуумом (С_о), т.е.  = С_д/С_о. Диэлектрическая проницаемость есть мера поляризации диэлектрика в электрическом поле. Поляризация представляет собой смещение связанных зарядов под влиянием электрического поля. Наибольшее значение имеют следующие виды поляризации: электронная поляризация, ионная, дипольно-релаксационная и самопроизвольная (спонтанная).

Электронная поляризация вызывается упругими смещениями и деформацией электронных оболочек. Электроны смещаются к положительно заряженному электроду почти мгновенно, время установления поляризации очень мало (10^-15 с) и поэтому диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты. Ионная поляризация обусловлена упругими смещениями ионов на расстояния меньше межионных. Отрицательные ионы смещаются в сторону положительного электрода, а положительные в сторону отрицательного. Время установления ионной поляризации мало (10^-13 с) и  также не зависит от частоты.

В структуре диэлектриков имеются постоянные диполи. Постоянный диполь представляет собой пару зарядов противоположных знаков, которые взаимно уравновешены и находятся на некотором расстоянии друг от друга. Величина диполя характеризуется дипольным моментом  = q 1 - произведением заряда (q) на расстояние между ними (1). Диэлектрики подразделяют на полярные и неполярные. В полярных диэлектриках диполи имеют достаточную величину, расположены беспорядочно и их присутствие отражается на свойствах. У неполярных диэлектриков диполи либо попарно уравновешены, либо малы по величине. В полярных диэлектриках наблюдается так называемая дипольно-релаксационная поляризация, которая состоит в частичной ориентации диполей по направлению поля. Повороты диполей требуют преодоления некоторого сопротивления межмолекулярных сил, поляризация устанавливается значительно медленнее электронной или ионной. При нагреве молекулярные силы ослабляются, что облегчает ориентацию диполей в электрическом поле. В тоже время усиливается тепловое движение частиц, мешающее этой ориентации. Под влиянием этого дипольно-релаксационная поляризация при нагреве сначала увеличивается до некоторого максимума, а затем уменьшается.

Самопроизвольная поляризация наблюдается только у одного класса диэлектриков—сегнетоэлектриков, имеющих доменную структуру.

Диэлектрические потери в материалах. Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше 20 кГц величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика. Для определения потерь диэлектрик удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока. У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током I и напряжением U равен 90 градусов, поэтому активная мощность P=IUcos90 равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90 градусов на угол . Этот угол называется углом диэлектрических потерь. Тангенс угла  и диэлектрическая постоянная  характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), [Вт/м³]: P= kE²ftg, где k - коэффициент; Е- напряженность электрического поля; f - частота поля, Гц. Произведение диэлектрической проницаемости на тангенс угла диэлектрических потерь tg называется коэффициентом диэлектрических потерь. По величине tg диэлектрики подразделяют на низкочастотные (tg=0,1  0,001) и высокочастотные (tg < 0,001). К основным источникам потерь диэлектрика относится его поляризация и электропроводность, ионизация газов имеющихся в порах и неоднородностях структуры из-за примесей и включений.

Характеристики

Список файлов лекций