Стеклокристаллические и композиционные материалы на основе стекла для магистрантов

1. Композиционные материалы

Часть 2, курс лекций: «Стеклокристаллические и композиционные
материалы на основе стекла» для магистрантов

2. Введения, история возникновения композитов

Лекция 1

3.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПОЗИТАХ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
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
3

4.

• Композиты – это неоднородные сплошные материалы,
состоящие из нескольких компонентов с четкой границей
раздела между ними. В качестве таких компонентов обычно
выступают полимеры, керамика или металлы. Как правило,
компоненты, составляющие композит, делят на матрицу (или
связующее) и включенные в нее армирующие элементы
(или наполнители). При этом и наполнитель и матрица
сохраняют свою идентичность на физическом и химическом
уровне и обеспечивают композиту такую комбинацию
свойств, которая не может быть достигнута с
использованием только лишь одного из компонентов.
• Функция армирующих элементов, как правило, состоит в
обеспечении необходимых механических характеристик
композита, таких как прочность, жесткость и т.д., а матрица
обеспечивает совместную работу армирующих элементов и
их защиту от агрессивных воздействий окружающей среды.

5. Основные определения

• Композиционный материал – композит – КМ:
многокомпонентный материал, состоящий из двух и более
материалов разной природы, один из которых выступает в
роли матрицы (связующего), а другой в роли наполнителя.
• Основные признаки КМ:
• - наличие границ раздела фаз;
• - сохранение основных свойств каждого компонента;
• - получение нового уровня ведущего свойства или группы
свойств

6.   Характеристики прочности и жёсткости основных конструкционных материалов

Прочность
МПа
1600
Жесткость
ГПа
210
p,
кг/м3
7850
26,8
Алюминий Д16Т
420
72
2850
25,3
Титан ВТ15
1500
110
4850
22,9
Углепластик
высокопрочный
Углепластик
высокомодульный
Стеклопластик
2070
143
1550
95,3
1040
281
1610
174,5
2100
70
2200
31,8
Органопластик
2200
95
1400
67,8
Боропластик
1200
250
2600
125
Бороалюминий
1750
260
2700
96,3
Материал
Сталь ЗОХГСА
Е/р

7.

1. Понятие о композитах.
КОМПОЗИТЫ – это неоднородные
материалы, состоящие из
нескольких компонентов с четкой
границей раздела между ними
Матрица
Армирующие
элементы
Основные функции армирующих
элементов:
• обеспечение прочности материала
• обеспечение жесткости материала
Основные функции матрицы:
• обеспечение совместной работы
армирующих элементов
• защита армирующих элементов от
агрессивного воздействия
окружающей среды
Типичный композит
7

8. Роль матрицы

-
Непрерывная фаза
Определяет форму изделия
Фиксирует положение наполнителя
Распределяет внешнюю нагрузку
Предохраняет от внешнего и внутреннего
контакта элементы (частицы, волокна)
наполнителя
- Обладает способностью находиться в
жидком состоянии
- Обладает способностью смачивать

9. Характеристика матрицы: важные параметры

Однородность,
Непрерывность
Изотропность
Пластичность
Износостойкость
Климатостойкость
Химическая инертность
Термостойкость
Прочность
Упругость

10. Наполнители

11.

12.

13.

14.

15.

16.

2. Роль композитов в техническом прогрессе человечества.
Относительная доля материалов, используемых человеком в процессе эволюции
Золото Медь Бронза
МЕТАЛЛЫ
МЕТАЛЛЫ
Железо
Чугуны
ПОЛИМЕРЫ
Стали
Дерево
Кожа
Волокна
Сплавы
Легкие сплавы
Клеи
Аморфные металлы
Алюмо-литиевые сплавы
Двухфазные стали
Микролегированные стали
Новые суперсплавы
Суперсплавы
КОМПОЗИТЫ
Армированные
кирпичи
Бумага
Камни
Кремень
Глина
Стекло
КЕРАМИКА
Резина
Сплавы на основе
титана,
циркония и т.д.
ПОЛИМЕРЫ
Токопроводящие
Высокотемпературные
КОМПОЗИТЫ
Высоко
модульные
Цемент
Керамические
Нейлон
Полиэстеры
ММК
Огнеупорная
Эпоскиды
КЕРАМИКА
ПЭ,
ПК,
керамика
Акрилы Арамидные композиты
ПС, ПП и др. Углепластики
ПортландСтеклопластики
цемент Кварцевое
Высокопрочная
Пирокерамика
стекло
керамика
Бакелит
16

17. Композиты: от древнего мира до наших дней

Место
появления
Исходные
материалы
цель
изделие
свойство
Древний
Египет , 1500 г
до н.э.
глина +
солома
снижение
усадки
саманные прочность
кирпичи
Монголия,
1200 г н.э.
дерево + кость повышение
+ костный
прочности
клей
стрелы
для лука
прочность
?
дерево +
костный клей
повышение
прочности
фанера
прочность,
трещиностойкость
Америка и
Европа, 20 в
Полимерное
или
стеклянное
волокно +
полимерная
матрица
Повышение
прочности и
снижение
массы
конструкции
стеклопла прочность,
стики
трещиностойкость

18.

3. Использование композитов в древности
Примеры использования
композитов в древности:
•Армированные кирпичи
•Зиккурат в г. Ур
•Битумная дорога
•Армированные стены в г. Урук
•Древняя бумага
•Мумифицирование
•Монгольский лук
•Дамасская сталь
•Катана
18

19. Исторические примеры композитов

Кирпичи, армированные соломой
Древнеегипетская бумага
19

20. Шумерский зиккурат, построенный в 13-м веке до нашей эры

• Высушенная грязь: легко
разрушается при изгибе,
но хорошо сопротивляется
• сдавливающим силам.
• Солома: большая
прочность при
растяжении, но легко
мнется.
• Комбинация соломы и
грязи: хорошо
сопротивляется как
растяжению, так и сжатию.

21.

Использование композитов в древности
1. Армированные кирпичи
Строение из кирпичей, армированных соломой, датированное 3000-2000 гг. до н.э.
(видны отверстия, в которых раньше была солома)
Для сравнения - современная кладка из кирпичей, армированных соломой
21

22.

23.

Армированные стены в г. Урук
Раскопки древнего г. Урук (Месопотамия 3 000 до н.э.)
23

24.

7. Монгольский лук
древесина
рог
Монгольский лук
сухожили
е
24

25.

ЯПОНСКИЙ МЕЧ КАТАНА
Сталь высокой
или средней прочности
Сталь средней прочности
Мягкая сталь
Высокопрочная сталь
Высокопрочная сталь
Сталь средней
Мягкая сталь
25

26.

• Открытие методов добычи меди и бронзы в бронзовую эру, а затем и
железа в железный век придало значительный импульс прогрессу
человечества. Результатом стало снижение востребованности керамики
и природных полимеров.
• Появление в 1620 гг. технологии производства чугуна, а затем сталей и
сплавов привело к устойчивому доминированию металлов, которые
практически вытеснили из обращения полимеры и керамику.
• Начиная с 60х годов двадцатого столетия ситуация начала меняться –
темпы производства металлических конструкций замедлились, и спрос
на металлы в ряде стран заметно упал, тогда как индустрия полимеров
и композитов начала стремительно расти и развиваться.
• Сначала появились полимерные композиты, армированные
стеклянными, углеродными и арамидными волокнами
• Затем появились композиты с металлическими матрицами
(металломатричные композиты).
• Сейчас все большую популярность приобретают композиты на основе
керамики

27.

Полимерный композит,
армированный стеклянными
волокнами
(стеклопластик)
Полимерный композит,
армированный
арамидными волокнами
(арамидный композит)
Полимерный композит, армированный
углеродными волокнами (углепластик)
27

28.

Металломатричные композиты
(ММК)
28

29.

Композиты на основе керамики
29

30. 4. Области применения композитных материалов в настоящее время:

1) Аэрокосмическая промышленность
2) Автомобилестроение
3) Электроника
4) Строительство
5) Биомедицина
6) Энергетика

31.

Широкое применение нашли композиционные
материалы в авиационной и ракетно-космической технике,
где используются такие их свойства, как высокая удельная
прочность и стойкость к воздействию высоких температур,
стойкость к вибрационным нагрузкам, малый удельный
вес. Из этих материалов изготавливаются корпусные
детали и детали внутреннего интерьера.

32.

33.

Применение композитных материалов позволяет
эффективно решать основные задачи судостроительной
отрасли — например, проблему защиты судов от коррозии
и агрессивных внешних воздействий. Композитные
материалы также позволяют строить безнапорные
корпусные конструкции судов с прочными слоями из стали
или стеклопластика и слоем из полимеров низкой
плотности.

34. Lexus LFA ($ 375 000)

• 65% массы – полимер,
усиленный
углеродными
волокнами
• 35% массы – алюминий
• Применение
композитных
материалов позволяет
на 300 килограмм
• уменьшить массу
автомобиля

35. Строительство - Бетон

• Композитный
материал:
• цементная
матрица +
• песок (мелкий
наполнитель) +
• гравий (крупный
наполнитель) +
• примеси

36. 5. Классификации композиционных материалов

• По происхождению: природные и
искусственные
• По виду наполнителя: - волокнистыедисперсно-упрочненные и др.
• По природе матрицы: -полимерная,
металлическая, керамическая.
• По области применения:самолето-,
машино-, кораблестроение, медицина,
строительство, спорт

37. Классификация по виду наполнителя

Композиционные
материалы
Дисперсноупрочненные
Слоистые
Волокнистые

38. Характеристика наполнителей: основные показатели

39.

Классификация композитов по типу наполнителя
:
1.
2.
3.
4.
5.
Волокнистые композиты
Композиты, упрочненные частицами
Нанокомпозиты
Слоистые композиты
Сэндвич композиты (трехслойные
конструкции)
39

40.

Классификация композитов.
1. ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ
Армирующие элементы – волокна высокой прочности и жесткости
Непрерывные (длинные)
волокна
Короткие (рубленные)
волокна
Ткань
40

41.

ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ
Армирующие материалы:
• Стекловолокна
• Углеродные волокна
• Арамидные волокна
• Борные волокна
• Волокна на основе оксида алюминия
• Карбидокремниевые волокна
Ткань из стекловолокон
(стеклоткань)
Ткань из углеродных
волокон
Ткань из арамидных
волокон
41

42.

ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ
Материалы матриц:
• Полимеры
• Металлы
• Керамика
Эпоксидная смола
(полимер)
Алюминий
(металл)
Оксид алюминия
(керамика)
42

43. Несущая способность конструкций из волокнистых композитов обеспечивается в основном волокнами, а матрица выполняет следующие

44.

ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ
Основная функция волокон – обеспечение несущей способности конструкции
Функции матрицы:
• фиксация волокон в материале
• передача внешних нагрузок волокнам
• защита волокон от вредных воздействий окружающей среды
Типы вредных воздействий
ᵒС
44

45.

ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ
Длинные волокна
Короткие волокна
Хаотичное
расположение
Ориентированное
расположение
Хаотично армированный
композит
(ХАСП)
Однонаправленный
композит, армированный
короткими волокнами
Однонаправленный
композит, армированный
длинными волокнами
45

46.

• Волокнистые композиты делятся на два основных класса в
зависимости от длины армирующих волокон:
• 1) композиты, армированные длинными волокнами и
• 2) композиты, армированные короткими волокнами.
• Короткие волокна могут располагаться в материале
хаотично или ориентировано, то есть в некотором
заданном направлении. В первом случае говорят о
хаотично армированном композите, а многослойные
структуры из такого материала на основе полимерной
матрицы сокращенно называют ХАСП – хаотично
армированным слоистым материалом. Во втором случае
говорят об однонаправленном композите, армированном
короткими волокнами.

47.

КОМПОЗИТЫ, АРМИРОВАННЫЕ ДЛИННЫМИ ВОЛОКНАМИ
Одномерно
армированные
Однонаправленный
композит
Двумерно
армированные
Тканевый
композит
Пространственно
армированные
Плетеный
композит
47

48. Композиты, армированные длинными волокнами, по типу армирования разделяют на: а) одномерно армированные, б) двумерно

49.

2. КОМПОЗИТЫ, УПРОЧНЕННЫЕ ЧАСТИЦАМИ
Композиты, упрочненные
частицами, состоят из
матрицы и равномерно
распределенных в ней частиц
Типичные материалы частиц:
• Слюда
• Кварц
• Стекло
• Диоксид кремния (песок)
• Карбонат кальция и др.
За несущую способность конструкции отвечает матрица, а
не наполнитель в отличие от волокнистых композитов
49

50.

КОМПОЗИТЫ, УПРОЧНЕННЫЕ НАНОЧАСТИЦАМИ
Нанокомпозиты – это композитные материалы, у которых средний размер
частиц наполнителя не превышает 100 нм.
Объемная доля наполнителя – порядка 2-5%.
Преимущества - уникальные
механические, термические,
электрические и оптические
свойства
Основной недостаток – тенденция
к возникновению агломератов
Материалы наночастиц:
• углерод (нанотрубки,
фуллерены, графен)
• оксид кремния
• золото
• серебро
• оксид цинка
• диоксид титана
Наночастицы в матрице
2 мкм
Агломераты
20 мкм
50

51.

3. КОМПОЗИТЫ, УПРОЧНЕННЫЕ НАНОЧАСТИЦАМИ.
Углеродные нанотрубки
Наночастицы SiO2
Наночастицы ZnO
2 мкм
1 мкм
20 мкм
Наночастицы серебра
в полимерной матрице
100 нм
Наночастицы золота
в полимерной матрице
20 нм
2 мкм
Наночастицы TiO2
100 нм
51

52.

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.
Гибкие микросхемы с применением углеродных нанотрубок
52

53.

Пример применения КМ с наночастицами золота
Ученым Швейцарской высшей технической школы Цюриха было показано,
что наночастицы на основе золота и оксида железа с покрытием из
диоксида кремния могут быть использованы для лечения опухолей.
Эксперименты показали, что такие гибридные частицы не теряют
способности связываться с раковыми клетками, не обладают
цитотоксичностью, не осаждаются и не образуют агломератов. Магнитные
свойства наночастиц при этом позволяют направить их к определенному
органу или ткани. Наночастицы могут «закрепиться» на раковых клетках и
локально разрушить их при нагревании магнитным полем, создаваемым
высокоэнергетическими постоянными магнитами, или инфракрасным
излучением.
53

54.

Пример применения КМ с наночастицами оксида кремния
Китайские учёные разработали наночастицы оксида кремния,
напоминающие по форме и полостям ягоды малины, для
создания прозрачного водоотталкивающего,
самоочищающегося покрытия для стекла и других прозрачных
поверхностей. При этом они использовали идею листа лотоса,
хорошо известного своими водоотталкивающими свойствами,
которые происходят из мельчайших текстурированных
бугорков, покрывающих его поверхность.
Покрытие на основе наночастиц SiO2
54

55.

Примеры применения КМ с наночастицами серебра
Команда из Массачусетского технологического института, Гарвардского факультета
физики и Эджвудского химико-биологического центра разработала прозрачный
проекционный экран с использованием наночастиц серебра, рассеивающих синий
свет, излучаемый проектором. В результате получается дисплей, который пропускает
большую часть света через себя и потому кажется прозрачным, но при этом он
взаимодействует с синим цветом, а значит, способен послужить дополнением к
проектору
В стоматологии серебро используется для создания новых, более долговечных
пломбировочных материалов, содержащих серебряные наночастицы.
Прозрачный экран с наночастицами
серебра
Пломбировочный материал с
наночастицами серебра
Антибактериальные
покрытия с
наночастицами серебра
55

56.

СЛОИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ (ламинаты)
Слоистые композиты представляют
структуру типа «слоеный пирог», где в
качестве слоев выступают различные
материалы.
Основное преимущество слоистых
композитов - это способность
обеспечить сложный набор требуемых
свойств в заданных направлениях
Слоистый композит
Пример расслоения
56

57.

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 ортогональноармированных композитов в чередующихся слоях чередуется продольное и
поперечное направление укладки волокон
СЛОИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ
Перекрестноармированный
композит
Однонаправленный
композит
y
y
y
x
θ
θ
x
x
[θ/θ/θ] = [θ]3
Ортогональноармированный композит
[+θ/-θ/+θ]
[0/90/0]
57

58.

СЭНДВИЧ КОМПОЗИТЫ (трехслойные панели))
5
В сэндвич композитах две тонкие, но жесткие панели соединены друг с другом при помощи
легкого заполнителя, толщина которого значительно превышает толщину соединяемых
панелей.
Панель
Заполнитель
Панели:
• металлические листы
• волокнистые композиты
• дерево
Заполнитель:
• полимерная пена
• древесина (бальзовое дерево)
• сотовый заполнитель
Композитные
панели +
пенистый
заполнитель
Деревянные
панели +
деревянный
заполнитель
Металлические
панели +
сотовый
заполнитель
58

59.

Полимерная пена
Древесина бальзового дерева
Сотовый заполнитель
(композитный)
(алюминиевый)
59

60.

• 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.

61.

.
Основное преимущество сэндвич композитов – отличная
сопротивляемость изгибу при малом весе
Изгиб сотовой панели
Изгиб лыж при карвинге
61

62. Преимущества композиционных материалов

• высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)
• высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 — 240
ГПа)
• высокая износостойкость
• высокая усталостная прочность
• из КМ возможно изготовить стабильные
конструкции любого размера
• легкость

63. Недостатки композиционных материалов

Высокая стоимость
Анизотропия свойств
Низкая ударная вязкость
Высокий удельный объём
Гигроскопичность
Токсичность
Низкая эксплуатационная технологичность

64.

Наиболее полным считается определение, согласно
которому к композитам относятся материалы, обладающие
следующими признаками:
- состав, форма и распределение компонентов материала
«запроектированы заранее»;
- не встречается в природе, а создан человеком;
- состоит из двух или более компонентов, различающихся по
химическому составу и разделенных выраженной границей;
- свойства материала определяются каждым из его
компонентов, которые в связи с этим должны присутствовать в
достаточно больших количествах;
- обладает такими свойствами, которых не имеют его
компоненты, взятые в отдельности;
- неоднороден в микромасштабе и однороден в
макромасштабе.
Шестой признак не позволяет отнести к КМ биметаллы и
материалы с покрытиями, поскольку в макромасштабе они не
являются однородными.