Файл: Лекция 1 Новые композиционные дорожностроительные материалы.ppt
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 68
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лекция 1
Новые композиционные дорожно-строительные материалы
Композиционные материалы
Понятие о композитах
Роль композитов в техническом прогрессе человечества
Применение композитов в древности
Области применения композитов
Классификация композитов
Особенности композитов по сравнению с традиционными материалами
Композиционный материал (композит, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними.
Естественные композиционные материалы
Древесина
Кость
Известняк ракушечник
Искуственные композиционные материалы
Бронза
Асфальтобетон
ДСП
Пластик
КОМПОЗИТЫ
ПОЛИМЕРЫ
ПОЛИМЕРЫ
КОМПОЗИТЫ
МЕТАЛЛЫ
МЕТАЛЛЫ
КЕРАМИКА
КЕРАМИКА
Золото
Медь
Бронза
Железо
Чугуны
Стали
Сплавы
Суперсплавы
Сплавы на основе титана, циркония и т.д.
Легкие сплавы
Аморфные металлы
Алюмо-литиевые сплавы
Двухфазные стали
Микролегированные стали
Новые суперсплавы
Дерево
Кожа
Волокна
Клеи
Резина
Бакелит
Нейлон
ПЭ, ПК,
ПС, ПП и др.
Акрилы
Эпоскиды
Полиэстеры
Высоко модульные
Высоко-температурные
Токопроводящие
Армированные кирпичи
Бумага
Стеклопластики
Углепластики
Арамидные композиты
ММК
Керамические
Камни
Кремень
Глина
Стекло
Цемент
Огнеупорная керамика
Портланд- цемент
Кварцевое стекло
Пирокерамика
Высокопрочная керамика
Относительная доля материалов, используемых человеком в процессе эволюции
Понятие о композиционных материалах
Состав и форма компонентов определены заранее
Компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала
КМ представляют собой гетерофазные системы, получаемые из двух или более компонентов с различными функциями
Доля второго по объему компонента должна быть не ниже 5%
Физико-химические свойства компонентов должны существенно различаться
Искусственные композиты получают смешением исходных компонентов
Характерные признаки композиционных материалов
Понятие о композиционных материалах
Классификация композиционных материалов:
по природе матрицы по природе армирующего компонента по характеру взаимодействия матрицы и упрочнителя по форме элементов упрочнителя по конструктивному признаку упрочнителя по назначению
Виды композиционных материалов
матрицы (связующего компонента)
матрицы (связующего компонента)
армирующего элемента (наполнителя, упрочнителя)
Композиционные материалы состоят из:
Структура композиционных материалов
В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.
МАТРИЦА непрерывна по всему объему материала
АРМИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ – это прерывный (дискретный) компонент, разделенный в объеме композиции
Кроме двух основных компонентов в состав композиционных материалов могут входить элементы, выполняющие другую функцию (изоляционную, защитную и т.д.)
Матричными материалами могут быть неорганические и органические вяжущие, полимеры, керамика, металлы и их сплавы,
находящиеся в твердом кристаллическом или аморфном состоянии.
Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды, обеспечивает равномерное распределение напряжений по объему материала
Матрица должна обеспечить
физико-химические (теплофизические, механические, электрические и др.)
технологические (уровень рабочих температур, характер изменения свойств под воздействием среды и др.) свойства материала
Она определяет метод изготовления изделий.
Понятие о композиционных материалах
В качестве армирующих (упрочняющих) компонентов выступают волокнистые или слоистые материалы различной природы, а также тонкодисперсные порошкообразные частицы или более крупные зерна
По механической структуре композиты делятся на несколько основных классов:
Волокнистые Упрочненные частицами Нанокомпозиты
Слоистые Дисперсноупрочненные
Волокнистые композиты армируются волокнами или нитевидными кристаллами.
Величина отношения длины к толщине элемента равна 10 и более. Чем больше эта величина, тем выше степень упрочнения материала. Обрезки волокон. применяемые для упрочнения – фибры. Волокна обычно используют в виде пучков (нити, жгуты).
Даже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к существенному улучшению механических свойств материала.
Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации, размера и концентрации волокон.
Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя)
В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в триплексах, фанере, клееных деревянных конструкциях и слоистых пластиках.
Отношение площади элемента упрочнителя к его толщине стремится к бесконечности.
Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц.
В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему),
дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм.
Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов еще меньше и составляют 10-100 нм.
Форма элементов упрочнителя влияет на физические свойства композиционных материалов.
Материалы с порошкообразными упрочнителями – изотропны, высокий предел прочности на сжатие
Слоистые упрочнители – анизотропия свойств, высокий предел прочности на изгиб.
В конструкционных композитах главное - это достижение высокой удельной прочности (коэффициента конструктивного качества), высокой коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности и долговечности.
Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя)
СЛОИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ
[+θ/-θ/+θ]
[0/90/0]
θ
x
y
x
y
[θ/θ/θ] = [θ]3
Перекрестно-армированный композит
Ортогонально-армированный композит
Однонаправленный композит
θ
x
y
Среди слоистых композитов различают однонаправленные композиты, где волокна направлены под одинаковыми углами θ во всех слоях. У перекрестно-армированных композитов углы укладки волокон чередуются в чередующихся слоях. У ортогонально-армированных композитов в чередующихся слоях чередуется продольное и поперечное направление укладки волокон.
Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя)
Металлические панели + сотовый
заполнитель
Панели:
металлические листы волокнистые композиты дерево
Заполнитель:
полимерная пена древесина (бальзовое дерево)
сотовый заполнитель
Панель
Заполнитель
Деревянные панели + деревянный
заполнитель
Композитные панели + пенистый
заполнитель
В сэндвич композитах две тонкие, но жесткие панели соединены друг с другом при помощи легкого заполнителя, толщина которого значительно превышает толщину соединяемых панелей.
Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя)
Сэндвич-композиты
Сэндвич композиты представляют собой особый класс композитов, где две тонкие, но жесткие панели соединяют друг с другом при помощи легкого заполнителя, толщина которого значительно превышает толщину соединяемых панелей.
В качестве панелей обычно используют металлические листы (чаще всего, это алюминий или титан) или волокнистые композиты, а в качестве заполнителя – пену из полиуретана, поливинилхлорида или полиэтилена, древесину бальзового дерева или сотовый заполнитель, изготовленный из композитного материала, или металла.
Основное преимущество сэндвич композитов состоит в том, что обладая низким весом, они демонстрируют повышенную жесткость при изгибе.
Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя)
.
Изгиб сотовой панели
Изгиб лыж при карвинге
Основное преимущество сэндвич композитов – отличная сопротивляемость изгибу при малом весе
Углепластик или карбон
Это полимерные композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450 кг/м3. Материалы эти отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малым весом. Нередко они бывают прочнее стали, но гораздо легче по весу.
Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя)
Углеродные нанотрубки
1 мкм
Пример применения КМ с углеродными нанотрубками
Углеродные нанотрубки на сегодняшний момент представляют один из лучших материалов для применения в области радиоэлектроники. Например, микросхемы с использованием углеродных нанотрубок работают быстрее полупроводниковых и требуют меньше пластиковых транзисторов, а также не нуждаются в дополнительной защите от того же ультрафиолета. Фактор энергопотребления при этом особенно важен: гибкая электроника на транзисторах с углеродными нанотрубками предполагается мобильной, то есть не требующей сетевого питания.
Прочность композита слагается из:
прочности заполнителя,
прочности матрицы и
прочности контактного слоя
самая важная с точки зрения создания композитов
Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними.
Границы раздела, в первую очередь адгезионное взаимодействие волокна с матрицей, определяют уровень свойств композитов и их постоянство в условиях эксплуатации.
Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений.
Большое значение имеет расположение элементов композитного материала, как в направлениях действующих нагрузок, так и по отношению друг к другу, т.е. упорядоченность.
Высокопрочные композиты, как правило, имеют высокоупорядоченную структуру.
Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя)
По конструктивному признаку упрочнения
КМ с хаотическим упрочнением
Одномерно - армированные
Двумерно - армированные
Пространственно – армированные
Возможны различные схемы укладки упрочнителя
Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя)
Структура композиционных материалов (форма элементов упрочнителя)
Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого существенно отличаются от свойств каждого из его составляющих.
Признаком композиционного материала является заметное взаимное влияние составных элементов композита , т.е. их новое качество, эффект.