Полимербетоны. Композиционные материалы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

 

 

 

 

 

 

 

ПОЛИМЕРБЕТОНЫ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

(реферат)

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка гр.  

Проверила преподаватель                                                      

 

 

 

 

Уфа

 

 

Содержание

 

1. Типы композиционных материалов.

2. Классификация композиционных материалов.

2.1. Волокнистые композиционные  материалы.

2.2. Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы.

2.3. Карбоволокниты.

2.4. Карбоволокниты с углеродной матрицей.

2.5. Бороволокниты.

2.6. Органоволокниты.

2.7. Экономическая эффективность  применения композиционных материалов.

3. Полимербетоны.

3.1. Составляющие полимербетонов.

3.2. Особенности технологии  полимербетонов.

3.3. Свойства полимербетонов.

3.4. Область применения  полимербетонов.

4. Технико-экономическая  эффективность применения полимербетонов  в строительстве.

Список литературы.

 

 

 

 

 

1. Типы композиционных материалов

Композиционные материалы  – материалы будущего.

После того как современная  физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности  и ее увеличения, началась интенсивная  систематическая разработка новых  материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем  к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При  этом большое внимание будет уделяться  уже известным механизмам закалки  стали и старения алюминиевых  сплавов, комбинациям этих известных  механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями  создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают  комбинированные материалы, усиленные  либо волокнами, либо диспергированными  твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие  высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или  нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность  сочетается с высоким модулем  упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

Композиционный материал – конструкционный (металлический  или неметаллический) материал, в  котором имеются усиливающие  его элементы в виде нитей, волокон  или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами  или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы  с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать  композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими  и другими специальными свойствами.

 

Композиционные материалы  состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы. 2.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

Композиционные материалы  с неметаллической матрицей нашли  широкое применение. В качестве неметаллических  матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения  и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60–80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20–30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы  могут быть любой толщины в  виде блоков, цилиндров. Объемные ткани  увеличивают прочность на отрыв  и сопротивление сдвигу по сравнению  со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

 

2. Классификация  композиционных материалов

2.1 Волокнистые  композиционные материалы

Композиционные материалы  с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру l/d» 10? 10і, и с непрерывным волокном, в которых l/d»?. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длинны 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.

Композиционные материалы  отличаются от обычных сплавов более  высокими значениями временного сопротивления  и предела выносливости (на 50 – 10%), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/?) и пониженной склонностью к  трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции  при одновременном снижении ее металлоемкости. Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости  волокон должны быть значительно  больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие  в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (= 2500- 3500 МПа, Е = 38- 420 ГПа) и углеродные (= 1400- 3500 МПа, Е = 160- 450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют = 2500? 3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и  его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида  кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности  никелевых сплавов достигается  армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна  используют и в тех случаях, когда  требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие = 15000- 28000 МПа и Е = 400-600 ГПа.

Композиционные материалы  на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

Рассмотрим зависимость  и Е бороалюминевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль и поперек оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше, и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно – матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна =, что достигается при содержании ее не менее 15–20%.

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при  изготовлении и эксплуатации, так  как это может привести к понижению  прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых  композиционных материалов учитывается  при конструировании деталей  для оптимизации свойств путем  согласования поля сопротивления с  полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых  и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида  кремния, доборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.

Основным недостатком  композиционных материалов с одно и  двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.

 

2.2 Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы

В отличие от волокнистых  композиционных материалов в дисперсно-упрочненных  композиционных материалах матрица  является основным элементом, несущим  нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая  прочность достигается при размере  частиц 10–500 нм при среднем расстоянии между ними 100–500 нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5–10 об.%.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких  соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и  редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9–0,95 Т. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный  алюминиевый порошок). САП состоит  из алюминия и дисперсных чешуек AlO. Частицы AlO эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность сплава. Содержание AlO в САП колеблется от 6–9% (САП-1) и до 13–18% (САП-3). С увеличением содержания AlO повышается от 300 для САП-1 до 400 МПа для САП-3, а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3%. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250–500 °С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С составляет 45–55 МПа.

Большие перспективы у  никелевых дисперсно-упрочненных  материалов. Наиболее высокую жаропрочность  имеют сплавы на основе никеля с 2–3 об.% двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно? – твердый раствор Ni + 20% Cr, Ni + 15% Mo, Ni + 20% Cr и Mo. Широкое применение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni +20% Cr, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При температуре 1200 °С сплав ВДУ-1 имеет @ 75 МПа и @ 65 МПа, сплав ВД-3 – @ 65 МПа. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре.