Материал: Основы создания полимерных композитов

Н.Н.Трофимов, М.З.Канович

Основы создания полимерных композитов

М осква «НАУКА»

1999

УДК 621.763 ББК 30.36

Т 76

Рецензенты:

доктор химических наук, профессор А.Т. Пономаренко доктор технических наук, профессор В.К. Скуратов

Трофимов Н.Н., Канович М.З.

Основы создания полимерных композитов. - М.: Наука, 1999. - 539 с.: ил.

ISBN 5-02-004462-8

В книге изложены основные принципы создания конструкционных полимерных ком­ позитов. Рассмотрены требования к упруго-прочностным свойствам исходных компо­ нентов - арматуры и связующего, а также исследованы прочностные и вязко-упругие свойства композитов.

СДелана попытка комплексного подхода к созданию полимерной армированной сис­ темы, начиная с выбора ее исходных компонентов и кончая технологией производства.

Книга рассчитана на инженерно-технических работников и научных сотрудников, занимающихся созданием композиционных материалов и проектирующих изделия из них. Книга также представляет интерес для студенток, и,^спирантов соответствующих спе­ циальностей.

Без объявления ISBN 5-02-004462-8

Trofimov N.N., Kanovich M.Z7

Principles of the creation of polymer composites. - M.: Nauka, 1999. 539 p.: il.

The book deals with the basic principles of creation of structural polymer composites. The requirements for elasticity and strength of the starting components, i.e. reinforcing and binding materials, as well as the strength and viscoelasticity of composites, have been considered.

An attempt of a complex approach to the creation of reinforced polymer systems, - from the selection of starting components to production methods, - has been made in the book.

The book is intended for engineers and scientists specializing in the field of composite materials and product design. It may also be of interest to students and post-graduates of corresponding specialities.

РАЗДЕЛ I

В В Е Д Е Н И Е

Перемены, происходящие в последние годы в экономике, про­ мышленности и общественной жизни, поставили перед учеными и исследователями ряд научно-исследовательских задач, таких, как эко­ номия энергии и природных ресурсов, освоение и использование но­ вых источников энергии, комплексное усовершенствование выпус­ каемой продукции, создание малоотходных и экологически чистых технологий и производств, обеспечивающих выпуск высококачест­ венных товаров и т.д.

Для успешного решения поставленных задач необходимы конст­ рукционные материалы с высокими эксплуатационными свойствами

иновыми функциональными возможностями. Современные конст­ рукционные материалы должны иметь высокие удельную прочность

ижесткость как при низких, так и при высоких температурах, высо­ кие динамическую прочность, стойкость к воздействию агрессивных сред, излучений и т.д. Важнейшее место среди этих материалов зани­ мают полимерные композиты, состоящие из двух и более химически разнородных материалов, образующих единое целое. В подавляющем большинстве случаев композицию образуют матрица из полимера, металла или металлического сплава и распределенный в ней напол­ нитель, обычно более жесткий, чем матрица.

Композитами являются практически все традиционные мате­ риалы, поскольку невозможно создать идеально чистый материал. В нем всегда окажутся примеси, даже ничтожная часть которых спо­ собна иногда очень резко изменить свойства материалов. Сталь, к примеру, тоже является композицией, состоящей из высокопрочной фазы - цементита (наполнителя), распределенной в относительно мягкой матрице - феррите.

Среди конструкционных материалов значительное место зани­ мают стеклопластики, представляющие собой композит на основе стеклянных наполнителей различного типа (стеклянные ткани, во­ локна, шарики и т.д.) и полимерных связующих. Стеклопластики об­ ладают удельной прочностью, жесткостью, коррозионной и тепло­ стойкостью, хорошими диэлектрическими и акустическими свойст­ вами. Для них характерны простота технологических процессов изго­ товления, а также возможность широкого варьирования свойств. По­ этому они находят все более широкое применение в авиационной и космической технике, радиотехнике, машиностроении, а также в су­ достроении, где традиционные материалы (алюминиевые и титано­ вые сплавы, высокопрочные стали и т.д.) имеют ограниченные воз-

3

можности вследствие возникающей на некоторой глубине “отрица­ тельной” плавучести, когда масса аппарата, включая оборудование и экипаж, превышает его водоизмещение. Как видно из рисунка, пре­ дельная глубина погружения аппаратов из традиционных материалов не превышает 6 км, а из композиционных - достигает 10 км.

Мировой океан, покрывая 70% земной поверхности, является ме­ стом постоянного обитания 80% всех живых организмов, а также источником кислорода, пищи, полезных ископаемых, запасы кото­ рых на планете ограничены. При этом 70% океана имеет глубину от 3 до 6 км. Ясно, что вопросы создания конструкционных композитов, и прежде всего стеклопластиков для глубоководных аппаратов, весь­ ма актуальны.

Создание композита тесно связано с проблемой его расчета, так как получение армированной системы - комплексная задача, вклю­ чающая: во-первых, обеспечение хорошего адгезионного слоя между жесткими и прочными армирующими элементами и полимерными связующими, обладающими ярко выраженными реологическими

4

свойствами; во-вторых, формирование условий, которым должны отвечать упруго-прочностные свойства исходных компонентов, что­ бы гетерогенная система могла рассматриваться как сплошная ани­ зотропная (или изотропная) среда с некоторым тензором приве­ денных вязко-упругих характеристик, соответствующих техниче­ скому заданию. Поэтому конструкторы, расчетчики и технологи должны уметь прогнозировать упруго-прочностные свойства компо­ зита по свойствам и относительному содержанию исходных компо­ нентов и наоборот. И в-третьих, эта задача включает вопросы опти­ мального соединения этих компонентов, т.е. технологические ас­ пекты. Однако при создании и расчете композиционных материалов в большинстве случаев преобладают эмпирические или полуэмпирические методы, которые являются длительными, дорогостоящими и малонадежными, так как зависят от многих случайных факторов. Кроме того, они не позволяют оценить уровень достигнутых резуль­ татов с точки зрения их максимально возможных значений.

Поэтому разработка научных основ расчета и создания конст­ рукционных композитов, начиная с выбора исходных компонентов, их оптимального соединения в армированную монолитную систему с заданной прочностью и надежностью и кончая расчетом свойств го­ тового композита, несмотря на ряд фундаментальных работ и иссле­ дований по этим вопросам, еще далека до полного завершения и ждет своего исчерпывающего решения.

Целью данной книги являются анализ и расчет некоторых моде­ лей армированных систем с учетом их гетерогенности и явлений на границе раздела фаз, обобщение результатов расчета для формули­ рования условий создания конструкционных композитов, выбор оп­ тимальных параметров процесса создания и, наконец, создание кон­ струкционного композита и расчет его свойств. Поставленные во­ просы, как указывалось выше, взаимосвязаны и взаимообусловлены. Поэтому именно их комплексное рассмотрение имеет важное практи­ ческое и научное значение.

В книге речь пойдет об основных принципах (материаловедческих аспектах) получения полимерных конструкционных композитов на примере стеклопластиков. В ней подробно освещаются вопросы создания высокопрочных при растяжении, сжатии и сдвиге компози­ тов при статических нагрузках; динамически прочных композитов - броневых материалов (толстая и тонкая броня), рессор и т.д.; высоконагруженных трибосистем и пар трения; химически стойких и кор­ розионно-стойких конструкционных композитов. Объектом исследо­ вания являются стеклопластиковые композиты на основе разных свя­ зующих и волокон различной геометрии и ориентации - однонаправ­ ленные, ортогонально армированные, хаотически армированные, радиально армированные, а также композиты на основе тканых на­ полнителей и полых микросфер, работающие при воздействии мно­ гих эксплуатационных факторов - температуры, влажности, агрес-

5