Активирование процессов взаимодействия компонентов композита на границе раздела фаз

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное  Учреждение

Высшего Профессионального  Образования 

Волгоградскоий  государственный  архитектурно-строительный университет

    Волжский институт строительства  и технологий (филиал)

 

Кафедра “Технология  обработки и производства материалов” 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Материаловедение  и технология композиционных материалов»

Тема:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           «Активирование процессов взаимодействия компонентов композита

на  границе раздела фаз»

 

 

 

 

                                                             Выполнил: студент группы ПМКМП 2- 09

                                                             _________________________

                                                            Проверил: к.т.н., доцент Пушкарская  О.Ю.  

                                                            ____________________ “____”  20    г.                                                    

 

 

 

 

Волжский 2012                                                                         

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………….3

1.1Общая характеристика композиционного материала……………………4

1.2Структура и свойства композиционного материала …………………….4

1.3Связующие композиции……………………………………………………5

2.Формирование межфазного слоя на границе раздела фаз…………………6

3.Технологические приемы изготовления композиционного материала ….7

4.Области использования композиционного материала………………… .13

5.Заключение………………………………………………………………….15

6.Список литературы…………………………………………………………16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Стеклопластик - композиционный материал, состоящий  из стеклянного наполнителя и  синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов (роввингов), тканей, матов, рубленых волокон; связующим - полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др. Для стеклопластика характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Композиционный материал

1.1 Для стеклопластика характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости.

Механические  свойства стеклопластика определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи  его со связующим, а температуры  переработки и эксплуатации - связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают стеклопластики, содержащие ориентированно расположенные непрерывные  волокна. Такие стеклопластики подразделяются на однонаправленные и перекрёстные; у первых волокна расположены  взаимно параллельно, у вторых - под  заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя  ориентацию волокон, можно в широких  пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.

1.2 Стеклопластик обладает многими очень ценными свойствами, дающими ему право называться одним из материалов будущего. Ниже перечислены некоторые из них.

 

Малый вес. Удельный вес стеклопластиков колеблется от 0,4 до 1,8 и в среднем составляет 1,1 г/см3. Напомним, что удельный вес металлов значительно выше, например, стали – 7,8, а меди - 8,9 г/см3. Даже удельный вес одного из наиболее легкого сплава, применяемого в технике, - дуралюмина составляет 2,8 г/см3. Таким образом, удельный вес стеклопластика в среднем в пять-шесть раз меньше, чем у черных и цветных металлов, и в два раза меньше, чем у дуралюмина. Это делает стеклопластик особенно удобным для применения на транспорте. Экономия в весе на транспорте переходит в экономию энергии; кроме того, за счет уменьшения веса транспортных конструкций (самолетов, автомобилей, судов и т.п.) можно повысить их полезную нагрузку и за счет экономии топлива увеличить радиус действия.

 

Диэлектрические свойства. Стеклопластики являются прекрасными электроизоляционными материалам при использовании как переменного, так и постоянного тока.

 

Высокая коррозионная стойкость. Стеклопластики как диэлектрики совершенно не подвергаются электрохимической коррозии.  Существует целый ряд смол (некоторые полиэфирные смолы, смолы Norpol DION), позволяющие получить стеклопластики стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей.

 

Хороший внешний вид. Стеклопластики при изготовлении хорошо окрашиваются в любой цвет и при использовании стойких красителей могут сохранять его неограниченно долго. Прозрачность. На основе некоторых марок светопрозрачных смол можно изготовить стеклопластики, по оптическим свойствам немногим уступающим стеклу.

 

Высокие механические свойства. При своем небольшом удельном весе стеклопластик обладает высокими физико-механическими характеристиками. Используя некоторые смолы, например Norpol Dion, и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластик, по своим прочностным свойствам превосходящий некоторые сплавы цветных металлов и стали.

 

Теплоизоляционные свойства. Стеклопластик относится к материалам с низкой теплопроводностью. Кроме того, можно значительно повысить теплоизоляционные свойства путем изготовления стеклопластиковой конструкции типа “сэндвич”, используя между слоями стеклопластика пористые материалы, например пенопласт. Благодаря своей низкой теплопроводности, стеклопластиковые сэндвичевые конструкции с успехом применяются в качестве теплоизоляционных материалов в промышленном строительстве, в судостроении, в вагоностроении и т.д.

 

Простота  в изготовлении. Существует много способов изготовления стеклопластиковых изделий, большинство из которых требует минимальных вложений в оборудование. Например, для ручного формования потребуются только матрица и небольшой набор ручных инструментов (прикаточные валики, кисти, мерные сосуды и т.д.). Матрица может быть изготовлена практически из любого материала, начиная с дерева и заканчивая металлом. В настоящие время широкое распространение получили стеклопластиковые матрицы, которые имеют сравнительно небольшую стоимость и длительный срок службы.

 

1.3 Большей изотропией механических свойств обладают стеклопластики с неориентированным расположением волокон: материалы на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыления одновременно со связующим, и на основе холстов (матов). Диэлектрическая проницаемость стеклопластиков 4-14, тангенс угла диэлектрических потерь 0,01-0,05.

 

Изделия из стеклопластика с ориентированным  расположением волокон изготавливают  методами намотки, послойной выкладки или протяжки с последующим автоклавным, вакуумным или контактным формованием  либо прессованием, из пресс-материалов - прессованием и литьём.

 

 

2. Формирование межфазного слоя на границе раздела фаз.

Формирование межфазного слоя происходит в течение определенного времени, причем длительность процесса зависит  от вязкости связующего, его молекулярной массы, физико-химических свойств, скорости его отверждения, размеров и структуры пор в волокне и, наконец, свойств аппрета. На рис. показана модель межфазного слоя в армированном полимере, где dт - толщина поверхностного слоя волокна с измененной структурой. Для производства армированных пластиков с заданными свойствами необходимо целенаправленно регулировать структуру и объем граничного слоя путем правильного выбора аппрета для армирующего волокна с учетом свойств связующего.

Рис.  Модельное представление о межфазном слое в системе полимер - твердое тело 
  
Поскольку аппрет напрямую участвует в формировании межфазного слоя, считают, что в состав композита входят связующее, наполнитель и аппрет.

Аппреты должны обладать способностью:

-     хорошо смачивать наполнитель; 
-     проникать в наполнитель и заполнять дефекты на его поверхности; 
-     создавать на поверхности армирующих волокон слой, совместимый с полимерным связующим; 
-     снижать величину остаточного напряжения в промежуточном слое, возникающего вследствие усадочных явлений в процессе отверждения связующего; 
-     перераспределять напряжения в матрице и переносить их на волокна при механическом воздействии на композиционный материал.

Силановые аппреты применяются  в виде спиртовых, водных и спиртово-водных растворов.

Совершенно иные приемы используются для обработки угольных или органических волокон с целью получения  композитов с заданными свойствами.

Аппретирование углеродных волокон  в том смысле, как это делается со стеклянными наполнителями, неприемлемо, поскольку и природа, и структура  угольных волокон совершенно иные. 

 

3. Технологические приемы изготовления композиционного материала

Стеклопластик получают путем горячего прессования стекловолокна, перемешанного с синтетическими смолами. В стеклопластиках стекловолокно играет роль армирующего материала, придающего изделиям высокую механическую прочность при малой плотности.

В настоящее  время существует целый ряд различных  смол, используемых в производстве стеклопластиковых изделий. Наибольшее распространение получили полиэфирные, винилэфирные и эпоксидные смолы. В  зависимости от метода формования, химсостава и области применения все смолы можно разделить  на следующие группы:

 

а) по методу формования:

 

• для ручного формования

 

• для вакуумной инжекции

 

• для горячего прессования

 

• для процессов намотки

 

• для пультрузии

 

б) по области  применения:

 

• обычные конструкционные

 

• химстойкие

 

• огнестойкие

 

• теплостойкие

 

• светопрозрачные

 

 

 

 

Основные  методы изготовления стеклопластиковых  изделий 

 

Ручное (контактное) формование

 

При этом методе стеклоармирующий материал вручную  пропитывается смолой при помощи кисти или валиков. Затем пропитанный  стекломат укладывается в форму, где он прикатывается прикаточными валиками. Прикатка осуществляется с  целью удаления из ламината воздушных  включений и равномерного распределения  смолы по всему объему. Отверждение  ламината происходит при обычной  комнатной температуре, после чего изделие извлекается из формы  и подвергается мехобработке (обрезка  облоя, высверливание отверстий  и т.д.)

 

Применяемые материалы:

Смолы: Любые, например эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные.

Волокна: Любые.

Наполнители: Любые, стойкие к используемым смолам.

 

Основные  преимущества:

Широко используется в течении многих лет.

Простота  процесса.

Недорогие используемые инструменты, если используются смолы, отверждаемые при комнатной температуре.

Широкий выбор  поставщиков и материалов.

Более высокое  содержание стеклянного наполнителя  и более длинные волокна по сравнению с методом напыления  рубленного роввинга. 

 

Основные  недостатки: