Леонов В.В., Артемьева О.А., Кравцова Е.Д. Материаловедение и технология композиционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

231

молекулярных композитов, построенных из гибкой полимерной матрицы и

жестких, тоже полимерных, волокон. Ожидалось, что по сравнению с

традиционными в этих композиционных материалах не будет внутренних

дефектов в усиливающих жестких элементах, проявятся больший

усиливающий эффект (за счет высокого отношения длины жесткого сегмента

к его сечению) и высокая адгезия между матрицей и волокном, и другие

преимущества. Все это могло обеспечить существенное улучшение

механических и тепловых свойств материала при сохранении его

перерабатываемости.

Смешение этих

компонентов приводит к

микрофазному разделению,

причем объемная доля

изотропной фазы (1) резко

снижена в области больших длин

жестких стержней.

В начале 80-х годов

молекулярные композиты уже

пытались получать, смешивая

растворы жесткого и гибкого

полимеров (например, полибензо-

бис-тиазола и полибензимидазола

в метансерной кислоте или

полиамидимида и

полиэфиримида в

диметилацетамиде), которые

образовывали тройную систему.

Оказалось, что фазовое

поведение полимерного раствора жестких стержнеобразных молекул и

гибкой матрицы зависит от энтропии смешения. Если она неблагоприятна,

происходит микрофазное разделение компонентов, резко уменьшается

объемная доля изотропной фазы по мере увеличения длины жестких

сегментов. В результате значительно снижается усиливающий эффект по

сравнению с системами, в которых жесткие сегменты распределены по всему

объему матрицы случайным образом.

Фазовое разделение можно подавить несколькими способами:

- включить в жесткую молекулу гибкие боковые группы, которые

дополняли бы по химической структуре функциональные группы в гибком

клубке. Это обеспечит благоприятную энтропию смешения и возникновение

водородных связей между жесткими и гибкими сегментами;

- повысить энтропию смешения за счет использования близких по

химической структуре компонентов;

- синтезировать материалы, в которых жесткие сегменты и гибкая

матрица связаны химически.

Рис. 78 - Фазовая диаграмма

для системы, состоящей из

молекул матрицы с гибкими

цепями и полимера с

жесткими стержнями

232

Действительно, любой из этих способов повышает совместимость

компонентов, создавая возможность для получения молекулярных

композитов, но, на наш взгляд, последний наиболее перспективен. Именно

третьим способом на основе полиимида и полиамида найлона-6 Ф.Харрис

(Университет г.Акрон, США) синтезировал тройной блоксополимер.

В структуре этого сополимера, единичный блок построен из

ковалентно связанных, как в молекуле, трех фрагментов — центрального

полиимидного с жесткими цепями и примыкающих к нему по краям гибких

полиамидных цепей.

Рис. 79 - Единичный блок тройного сополимера, в центре которого

находится полиимидный жесткий фрагмент, а по краям к нему

примыкают гибкие полиамидные цепи.

Контролируемая в процессе синтеза масса полиимидного фрагмента в

исследуемых образцах составляла 12·10

г/моль, а степень полимеризации —

14—15. Длина имидной части макромолекулы в наиболее вытянутой

конформации не превышала 35—40 нм. Масса же полиамидных элементов

была много больше — около 10

г/моль. Механические и теплофизические

свойства материала оказались улучшенными по сравнению со свойствами

исходных полимеров. Это обеспечивалось особенностями его структуры, а

именно совмещением полиамидных и жестких полиимидных фрагментов в

аморфных областях.

Интерес к молекулярным композитам чрезвычайно велик, и работы

ведутся по разным направлениям: подбору смесей, поиску сополимеров,

созданию материалов на основе аморфных и жидкокристаллических

полимеров.

Отметим еще одно важное направление — синтез “умных”

полимерных наноматериалов. В его основе лежит молекулярное

распознавание и упорядочение составляющих элементов с последующей

самосборкой функциональных надмолекулярных структур за счет слабых

нековалентных взаимодействий — ван-дер-ваальсовых и электростатических

сил, водородных связей и т.д.

В живом мире примеров подобной самоорганизации не перечесть, это и

вирусы, и рибосомы, и белковые волокна, и мембраны, и ферментные

комплексы. Все они не синтезируются целиком, а собираются из

макромолекулярных субъединиц. Так, одинаковые белковые молекулы,

взаимодействуя между собой за счет слабых сил, образуют геометрически

регулярные структуры (спирали, кольца, гексагональные формы), которые

упаковываются в плоские слои или трубки. Похожим образом можно

реконструировать in vitro вирус табачной мозаики, просто смешав в растворе

233

вирусные белок и РНК: сначала возникают белковые структуры в виде

двойных колец, а затем они “нанизываются” на молекулу РНК. Так

постепенно строится вирусная частица — длинный стержень, в котором

спирально закрученная РНК заключена в цилиндр из одинаковых белковых

молекул.

Можно было ожидать, что самоорганизация свойственна не только

биополимерам, но и синтетическим макромолекулам. Эту идею удалось

подтвердить В. Перчеку, который смоделировал процессы самосборки,

характерные для вируса табачной мозаики. Однако он использовал в

экспериментах не вирусный белок, а соединения на основе производных

галиковой кислоты, имеющие жесткие секторообразные фрагменты в

боковых цепях. Исследования самоорганизующихся химических систем

продолжаются и приносят интересные результаты.

Заметим, “умные” материалы чувствительны к разным внешним

воздействиям — химическому составу окружающей среды, изменениям

температуры и давления, электрического или магнитного поля и т.д. А

значит, они могут найти широкое практическое применение.

Безусловно, нанокомпозитам принадлежит будущее. Но современная

надмолекулярная химия уже создает еще более совершенные материалы —

молекулярные композиты.

Контрольные вопросы:

1. Каковы основные особенности организации производства

композиционных материалов и изделий из них.

2. Чем нанокомппозиты отичаются от обычных композиционных

материалов?

3. Какими свойствами обладают нанокомпозиты из керамики, из

полимеров?

4. Как получают слоистые нанокомпозиты?

5. Где могут найти применение нанополупроводники?

6. Что редставляют из себя молекулярные композиты

234

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные примеры композиционных материалов на различных

матрицах свидетельствуют о возможности реализации в них чрезвычайно

интересных сочетаний важнейших эксплуатационных характеристик –

высокой прочности, включая диапазон высоких температур, жаростойкости,

усталостной прочности и др.

В настоящее время важны и актуальны вопросы создания и

совершенствования конструкций на основе применения материалов,

обладающих высокими физико-механическими свойствами,

атмосферостойкостью, износостойкостью, трещиностойкостью и другими

свойствами.

Это объясняется необходимостью строительства и реконструкции

надежных и долговечных гидротехнических сооружений, сооружений в

различных областях строительства.

Уже сейчас на керамических матрицах рабочие температуры могут

достигать 1600 ◦С, на металлических – до 1370 ◦С. Увеличение рабочих

температур в двигателях приводит к уменьшению их размеров, росту

мощности и снижению стоимости эксплуатации. Применение для

армирования таких материалов, как углеродное волокно, оксидные волокна и

усы, карбиды и другие материалы с низкой плотностью, позволяет

реализовать в композитах значительное снижение массы деталей при

сохранении ими неизменной прочности.

В настоящее время композиты уже широко применяются в

строительстве, автомобиле и судостроении, при изготовлении спортивного

инвентаря, эксклюзивных изделий. Важнейшими факторами,

сдерживающими применение большинства композиционных материалов,

являются высокая стоимость армирующих волокон, и серьезные проблемы

технологического характера.

Основные усилия исследователей и производственников направлены на

разработку эффективных, технологических и экономичных методов

получения армирующих волокон, совершенствование технологических

процессов изготовления материалов и изделий. Успешное решение этих

проблем позволит надеяться, что преимущества, связанные с применением

композиционных материалов будут успешно реализованы в самом широком

ассортименте изделий.



235

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Список литературы к 1 части

Основная

1. Андреева, А.В. Основы физикохимии и технологии композитов [Текст] / А.В.

Андреева. – М.: Радиотехника, 2001. – 191с.

2. Берлин, А.А. Принципы создания композиционных материалов [Текст] / А.А.

Берлин. – М.: Химия, 1990. -302с.

3. Болтон, У. Конструкционные материалы. Металлы, сплавы, полимеры, керамика,

композиты. [Текст] / У. Болтон. – М.: Изд-во Додека-XXI, 2007. – 256с.

4. Васильев, В.В. Композиционные материалы [Текст] / В.В. Васильев, В.Д. Протасов,

В.В. Болотин [и др.]. – М.: Машиностроение, 1990. – 512с.

5. Карпов, Я.С. Композиционные материалы: компоненты, структура, переработка в

изделия [Текст] / Я.С. Карпов, О.В. Ивановская. – Харьков: Изд-во Нац. аэрокосм.

ун-та, 2001. – 153с.

Дополнительная

1. Metal matrix composites [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа:

http: //www.umms.sav.sk

2. Композиционные материалы [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим

доступа: http: // www.Metalweb.ru

3. Лахтин, Ю.М. Материаловедение [Текст] / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.:

Машиностроение, 1990. – 527с.

4. Либенсон, Г.А. Процессы порошковой металлургии [Текст] / Г.А. Либенсон, В.Ю.

Лопатин, Г.В. Комарницкий. – М.: МИС и С, 2001. – 367с.

5. Шляпин, А.Д. Новые композиционные материалы на основе несмешивающихся

компонентов. Получение, структура, свойства [Текст] / А. Д. Шляпин, Ю. С.

Авраамов. – М.: Изд-во МГИУ, 1999. - 206 с.

Список литературы ко 2 части

Основная

1. Mechanics of Composite Materials [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим

доступа: http: // www.matter.org.uk

2. Болтон, У. Конструкционные материалы. Металлы, сплавы, полимеры, керамика,

композиты. [Текст] / У. Болтон. – М.: Изд-во Додека-XXI, 2007. – 256с.

3. Композиционные материалы [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим

доступа: http: // www.Metalweb.ru

4. Лахтин, Ю.М. Материаловедение [Текст] / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.:

Машиностроение, 1990. – 527с.

5. Фиалков, А.С. Углерод – межслоевые соединения и композиты на его основе

[Текст] / А.С. Фиалков. – М.: Аспект Пресс, 1997. – 134с.

6. Шляпин, А.Д. Новые композиционные материалы на основе несмешивающихся

компонентов. Получение, структура, свойства [Текст] / А. Д. Шляпин, Ю. С.

Авраамов. – М.: Изд-во МГИУ, 1999. - 206 с.

236

Дополнительная

1. Андреева, А.В. Основы физикохимии и технологии композитов [Текст] / А.В.

Андреева. – М.: Радиотехника, 2001. – 191с.

2. Васильев, В.В. Композиционные материалы [Текст] / В.В. Васильев, В.Д. Протасов,

В.В. Болотин [и др.]. – М.: Машиностроение, 1990. – 512с.

3. Гладков, С.О. Физика композитов. Термодинамические и диссипативные свойства

[Текст] / С.О. Гладков. – М.: Наука, 1999. – 205с.

4. Гончаров, С.А. Термодинамика [Текст] / С.А. Гончаров. – М.: Изд-во МГГУ, 1997. -

440с.

5. Карпов, Я.С. Механика композиционных материалов [Текст] / Я.С. Карпов, П.П.

Лепихин, И.М. Тараненко. – Харьков: Изд-во Нац. аэрокосм. ун-та, 2004. – 104с.

6. Мэттьюз, Ф. Механика и технология композитных материалов [Текст] / Ф.

Мэттьюз, Р. Роллингс. – М.:РИЦ Техносфера, 2003. – 320с.

7. Сумм, Б.Д. Физика и химия межфазных явлений [Текст] / Б.Д. Сумм. – Тверь: ТГУ,

1998. – 100с.

Список литературы к 3 части

Основная

ндреева, А.В. Основы физикохимии и технологии композитов [Текст] / А.В.

Андреева. – М.: Радиотехника, 2001. – 191с.

асильев, В.В. Композиционные материалы [Текст] / В.В. Васильев, В.Д. Протасов,

В.В. Болотин [и др.]. – М.: Машиностроение, 1990. – 512с.

оловкин, Г.С. Волоконная технология термопластичных композиционных

материалов [Текст] / Г.С. Головкин. – М.: МАИ, 1993.

ахтин, Ю.М. Материаловедение [Текст] / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.:

Машиностроение, 1990. – 527с.

Дополнительная

eramic matrix composites, C/SiC [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим

доступа: http: // www.fz-juelich.de

ушуев, Ю.Г. Углерод-углеродные композиционные материалы [Текст] / Ю.Г.

Бушуев, М.М. Персин, В.А. Соколов. – М.: Металлургия, 1994. – 265с.

3. Высокопрочные композиты, армированные неорганическими волокнами

[Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: http: //www.solid.nsc.ru

237

Список литературы к 4 части

Основная

ндреева, А.В. Основы физикохимии и технологии композитов [Текст] / А.В.

Андреева. – М.: Радиотехника, 2001. – 191с.

ушуев, Ю.Г. Углерод-углеродные композиционные материалы [Текст] / Ю.Г.

Бушуев, М.М. Персин, В.А. Соколов. – М.: Металлургия, 1994. – 265с.

асильев, В.В. Композиционные материалы [Текст] / В.В. Васильев, В.Д. Протасов,

В.В. Болотин [и др.]. – М.: Машиностроение, 1990. – 512с.

ысокопрочные композиты, армированные неорганическими волокнами

[Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: http: //www.solid.nsc.ru

ладков, С.О. Физика композитов. Термодинамические и диссипативные свойства

[Текст] / С.О. Гладков. – М.: Наука, 1999. – 205с.

оловкин, Г.С. Волоконная технология термопластичных композиционных

материалов [Текст] / Г.С. Головкин. – М.: МАИ, 1993.

ахтин, Ю.М. Материаловедение [Текст] / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.:

Машиностроение, 1990. – 527с.

эттьюз, Ф. Механика и технология композитных материалов [Текст] / Ф. Мэттьюз,

Р. Роллингс. – М.:РИЦ Техносфера, 2003. – 320с.

Дополнительная

рмирующие материалы и связующие для композитов [Текст] / В.Е. Гайдачук, Я.С.

Карпов, В.В. Кириченко, В.Т. Щербаков. – Харьков: ХАИ, 1991. – 87с.

урнев, В.Д. Экспертиза и управление качеством промышленных материалов

[Текст] / В.Д. Дурнев, С.В. Сапунов, В.К. Федюкин. – СПб.: Питер, 2004. – 253с.

обелев, А. Г.

Производство металлических слоистых композиционных материалов

[Текст] / А. Г. Кобелев. – М..: [Б. И.], 2002. – 496 с.

остиков, В.И. Композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов,

армированных углеродными волокнами [Текст] / В. И. Костиков. – М.:

Металлургия, 2000. - 446 с.

ашуков, Ю. Исследователи кристаллов жизни [Электронный ресурс] / Ю.

Машуков // Наука в Сибири. - №41. – октябрь. – Электрон. дан. – Режим доступа:

http: // www.psb.sbras.ru

ервушин, Ю. С. Технологии твердофазного совмещения и готовых форм как

основа создания стекловолоконных композитов на термопластичных связующих и

238

изделий из них [Электронный ресурс] / Ю. С. Первушин; Уфим. гос. авиацион.

техн. ун-т. – Электрон. дан. – Режим доступа: http: // www.hitec.bash.ru

ксплуатационные свойства полимерных композиционных материалов

[Электронный ресурс]: лекционный курс. – Электрон. дан. – Режим доступа: http:

// www/ sutd.ru

Список литературы к 5 части

Основная

олтон, У. Конструкционные материалы. Металлы, сплавы, полимеры, керамика,

композиты. [Текст] / У. Болтон. – М.: Изд-во Додека-XXI, 2007. – 256с.

урнев, В.Д. Экспертиза и управление качеством промышленных материалов

[Текст] / В.Д. Дурнев, С.В. Сапунов, В.К. Федюкин. – СПб.: Питер, 2004. – 253с.

арпов, Я.С. Композиционные материалы: компоненты, структура, переработка в

изделия [Текст] / Я.С. Карпов, О.В. Ивановская. – Харьков: Изд-во Нац. аэрокосм.

ун-та, 2001. – 153с.

обаяси, Н. Введение в нанотехнологию [Текст] / Н. Кобаяси. – М.: Бином:

Лаборатория знаний, 2007. - 134 с.

обелев, А. Г. Производство металлических слоистых композиционных материалов

[Текст] / А. Г. Кобелев. – М..: [Б. И.], 2002. – 496 с.

омогайло, А.Д. Наночастицы металлов в полимерах [Текст] / А.Д. Помогайло. –

М.: Химия, 2000. - 135с.

атерина, М.А. Технология конструкционных материалов [Текст] / М. А.

Шатерина.- М.: Политехника, 2005. - 597 с.

ровская, М.А. Фуллерены [Текст]: учеб. пособие / М. А. Юровская, Л. Н.

Сидоров. – М.: Экзамен, 2005. – 688 с.

Дополнительная

eichtbaukonstruktion im Möbelbau [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим

доступа: http: // www.fh-luh.de

инсон, Ж.Р. Поведение конструкций из композиционных материалов [Текст] /

Ж.Р. Винсон, Р.Л. Сираковский. – М.: Металлургия, 1991. – 24с.

альцев, П.П. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые

достижения за 2005 г. [Текст] / П. П. Мальцев. – М.: Техносфера, 2006. – 152 с.

ейсахов, А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов

[Текст] / А. М. Пейсахов, А. М. Кучер. – М.: Изд-во Михайлова В.А.,2005.

239

рошин, А.П. Современные композиционные строительные материалы [Текст]:

учеб. пособие / А. П. Прошин, В. А. Худяков, С. Н. Кислицына. – М.: АСВ, 2006. -

144 с.

240

ГЛОССАРИЙ

Адгезия - явление соединения приведенных в контакт поверхностей

Арамидное волокно - химические волокно, получаемое на основе линейных

волокнообразующих полиамидов, в которых не менее 85% амидных

групп =NH непосредственно связано с двумя ароматическими кольцами.

Вискеризация — процесс выращивания (закрепление) нитевидных

кристаллов (вискеров) на поверхности армирующих волокон.

Включение – разделенный в объеме компонент, который может быть

усиливающим или армирующим

Водородная связь - тип связи, промежуточный между валентным и

невалентным межатомным взаимодействием.

Деформация - изменение размеров или формы тела под действием внешних

сил либо физико-химических процессов, протекающих в самом теле.

Дислокация - особый вид линейных несовершенств кристаллической

решетки, нарушающих правильное чередование атомных плоскостей.

Дисперсно-упрочненный композиционный материал – материал, у которого

матрица из

чистого металла или сплава, в которой равномерно

распределены на заданном расстоянии одна от другой частицы

упрочняющей фазы размером <0,1мкм.

Жидкокристаллический композит (ЖКК) - композиционный материал,

представляющий собой в основном полимерные пленки, в которые в

виде отдельной фазы введены жидкие кристаллы.

Ионная связь – связь, при которой валентные электроны так

перераспределяются между атомами разного

сорта, что атом каждого

типа, приобретая или теряя один или два электрона, получает

устойчивую конфигурацию.

Кевлар – это очень стабильное в химическом отношении волокно.

Кинетическая совместимость - способность компонентов находиться в

состоянии метастабильного равновесия, контролируемого такими

факторами, как адсорбция, скорость диффузии, скорость химических

реакций.

Ковалентная связь – связь, при которой валентные электроны

обобществлены

определенными атомами так, что каждый из партнеров

приобретает устойчивую электронную конфигурацию.

Композиционный материал (КМ) - материал, образованный из двух или

более разнородных фаз и обладающий характеристиками, не присущими

исходным компонентам.

Масшатбный фактор - соотношения длины межатомных связей и размеров

образца.

Матрица - компонент, обладающий непрерывностью по всему объему КМ.