Цели лабораторных работ № 1 – 4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Разработка композиционных материалов (КМ) опирается на ряд фундаментальных и инженерных наук. Для эффективного проектирования изделий из композитов требуется знание основ химии, материаловедения, строительной механики материалов и технологии их производства.

Термин композиционный материал (композит) используют для обозначения составного материала, компонентами которого являются два или несколько различных материалов. Из одной пары компонент можно образовать множество композитов, если варьировать структурные параметры и механические свойства компонент. Такие наборы называют системой, например, система «сталь-алюминий» или система «бор-алюминий».

 Термин композитная деталь используют для обозначения элементов машиностроительных конструкций, состоящих из достаточно прочно соединенных в одно тело нескольких материалов. Если кусок готового композита используется для создания некоторой детали, то эту деталь можно назвать деталью из композита. Прочное соединение (сваркой, склеиванием или иным способом) нескольких однородных элементов из разнородных материалов в одно изделие называют составной композитной деталью.

Существует особый вид композитных деталей, в которых параметры выбранной структуры, а возможно, и сама структура изменяются по объему изделия. Такие детали, если их удачно спроектировать, наиболее полно воплощают возможности композитов, реализуя в каждой малой части изделия именно те свойства, которые там необходимы. К изделиям такого рода в равной мере применимы определения материал и конструкция, причем оба термина должны пониматься в определенном единстве. Материал в данном случае сам является конструкцией из составляющих, но в то же время, изменяясь от точки к точке, образует конструкцию. Технология изготовления деталей такого рода обычно такова, что и материал, и вся деталь создаются одновременно. Такие изделия часто называют цельнокомпозитными конструкциями.

Поскольку при проектировании детали используются элементы математического анализа и механики сплошной среды, вводятся соответствующие идеальные объекты, заменяющие материалы и детали. Идеализацией композита становится однородная или неоднородная среда (чаще всего, сплошная), сохраняющая его свойства набором структурных и физических параметров. Свойства среды (тела) выявляются при испытаниях представительных (достаточно больших и находящихся в однородном напряженном состоянии) образцов материала, а затем постулируются заданием уравнений связи между напряжениями, деформациями и структурными параметрами (законом среды), а также условиями прочности и другими соотношениями. В частности, однородные тела соответствуют деталям из композита, кусочно-однородные – составным деталям и неоднородные в большом теле – цельнокомпозитным изделиям. Таким образом, деталь (изделие) являются воплощением идеализированной композитной среды в реальном материале, реализуемым с помощью некоторого технологического процесса. В отчете по выполненным лабораторным работам следует конкретизировать тип соответствующего композитного изделия (детали).

Особенность технологии КМ заключается в том, что два вещества с контролируемыми свойствами, наделяемые различными функциями в конструируемом материале и поэтому называемые специальными терминами, - матрица и наполнитель, - изготавливаются раздельно, сертифицируются, а затем совмещаются. Раздельно изготовленные полуфабрикаты (компоненты КМ) имеют различный химический состав, различные геометрические формы и могут находиться в различном фазовом состоянии. Выбираемые компоненты КМ становятся после совмещения, т.е. сборки компонентов по определенной схеме, их компактирования и монолитизации. Только в таком состоянии компоненты КМ становятся фазами нового материала, способными к совместному действию в различных условиях нагружения изделия.

На уровне микроструктуры композиты состоят из двух или более веществ (компонентов), имеющих различное строение. Механические и физические свойства веществ прежде всего определяются их химической природой (керамика, металл, полимер) и структурой. Механические и технологические свойства наполнителей в значительной степени зависят и от геометрической формы, в которой эти материалы будут использованы в композите (волокно малого или большого диаметра, частица, произвольная форма).

 На макроуровне, используя технологические возможности наполнителя и матрицы и нередко предварительно создавая некие “строительные блоки” (препреги, шпоны, преформы, каркасы и т. д.), разработчики композиционных конструкций целенаправленно формируют в изделии новые уровни структуры, которые требуют контроля и анализа. В результате различные типы композитов в пределах представительного элемента объема являются материалами с различным геометрическим расположением наполнителя: от беспорядочного до строго регламентированного. Однако свойства изготавливаемого материала зависят не только от конструируемой структуры, выбора типа и количеств компонентов, но и от условий (технологии) их совмещения, удачный выбор которых может стать определяющим для качества проектируемых изделий.

Различают два основных класса композитов –упрочненные волокнистыми наполнителями и упрочненные дисперсными наполнителями. В зависимости от химической природы наполнителей композитные среды подразделяются на стекло-, угле-, базальто-, борокомпозиты и другие. Материалы с волокнистыми наполнителями в свою очередь подразделяют на несколько типов. Это композиты:

1. с короткими волокнами, в том числе с нитевидными кристаллами, штапельными волокнами, рублеными нитями или жгутами;

2. с непрерывными элементарными волокнами, жгутами, прядями, нитями, лентами;

3. с листовыми наполнителями, тканями, матами, неткаными материалами, бумагой, с объемными тканями и каркасами из волокон.

По характеру распределения наполнителя композиты с короткими и длинными волокнами могут быть ориентированными в определенных направлениях (анизотропными) или хаотически армированными (изотропными в плоскости или объеме). Композиты с непрерывными волокнистыми наполнителями могут быть однонаправленными, двух или многоосно ориентированными. В частности, при ориентации непрерывных волокон в соседних слоях во взаимно перпендикулярных направлениях композиты относят к слоистым ортотропно армированным материалам. Соотношение слоев различной ориентации может быть любым.

 Большинство наполнителей, изготавливаемых в виде монофиламентов (моноволокон), нитей (пучков волокон) и перерабатываемых затем в различные полуфабрикаты, имеют размер (диаметр) монофиламентов от нескольких единиц до десятков микрометров, что позволяет для анализа структуры компонентов и композитов использовать оптическую микроскопию. С помощью оптического микроскопа можно исследовать также большое количество КМ, армированных частицами, пенокомпозиты и т.п. материалы, а также изучать дефекты структуры, самопроизвольно формируемые в технологическом процессе.

Геометрическая форма и средний поперечный размер (диаметр) исходных монофиламентов волокнистых наполнителей, наряду с природой матрицы, является основным фактором, определяющим способы производства компонентов и приемы переработки их в изделия. Непрерывные волокна, слоистые и объемные каркасы из волокнистых наполнителей можно пропитывать жидкими матричными материалами (связующими) до или после формирования каркаса изделия, как, например, в процессах намотки нитью, лентой, или в процессах выкладки тканых полуфабрикатов. Техника совмещения матриц и дисперсных наполнителей иная. С полимерной матрицей – термопластичной или термореактивной – дисперсные наполнители и короткие волокна совмещаются смешением в расплаве или растворе. Дисперсные наполнители при совмещении с отверждающимися олигомерными композициями образуют пресс-композиции или компаунды. Пресс-композиции, перерабатываемые методами обычного и литьевого прессования, подразделяются, в свою очередь, на пресс-порошки, получаемые с предварительным частичным отверждением связующего, и премиксы, получаемые смешением жидкого связующего с наполнителем без предварительного частичного отверждения связующего.

Совмещение наполнителей с металлическими матрицами осуществляется, используя твердое, жидкое, и каплеобразное жидкое (реже газообразное) состояние матрицы. Совмещение углеродных нитей с углеродными матрицами осуществляют через жидкое и газообразное состояние вещества, называемого прекурсором матрицы.

Метод световой микроскопии является основным при исследовании КМ, пригодным и для контроля качества осуществляемых технологических операций.

Современный металлографический микроскоп объединён с компьютером, что позволяет осуществлять автоматизированную количественную обработку изображений, создавать базы данных структур материалов, переносить изображение структуры на необходимый материальный носитель (бумажный, электронный и т. д.), проводить количественный анализ (с помощью специальных программ) отдельных параметров структуры материалов. Современный металлографический микроскоп нередко становится частью автоматических интегрированных систем контроля качества продукции. Эта идея реализована, например, в цифровых твердомерах.

 ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Композит – это материал, обладающий следующей совокупностью признаков: не встречается в природе, поскольку создан человеком; состоит из двух или более компонентов, разделенных выраженной границей; проявляет новые свойства, обусловленные граничными процессами (т.е. созданной информационной структурой материала); неоднороден в микромасштабе и однороден в макромасштабе; состав, форма и распределение компонентов запроектированы заранее; количество каждого компонента в композите должно быть достаточно большим.

Матрица – это вещество различной химической природы (полимер, металл, керамика), как правило, полностью гомогенный материал, формирующий монолитную среду, в которую погружена система армирующих волокон или частиц, с паспортизованными физико-механическими свойствами.

Наполнитель – вещество различной химической природы, с задаваемой геометрической формой, с известной структурой и паспортизованными физико-механическими свойствами, дискретно распределяемое в конструируемой сплошной среде случайным или организованным способом, как правило, твердая фаза на всех стадиях производства и эксплуатации композита.

Препрег – это готовый для переработки полуфабрикат, представляющий собой волокнистый, плоский или объемный каркас из волокон, предварительно пропитанный связующим.

Преформа – готовый для переработки полуфабрикат, представляющий собой волокнистый, плоский или объемный каркас из волокон, связанных механически.

Аппрет – состав или покрытие, облегчающее процессы смачивания волокон и пропитку межволоконного пространства, организацию связи между компонентами и монолитизацию материала при получении изделия.

Прекурсор – вещество-предшественник компонентов композиционных материалов. Термин относится и к армирующим наполнителям и к матричным материалам. Превращение прекурсора в компонент композита всегда связано с протеканием химических реакций.

Монолитизация (отверждение) – процесс затвердевания связующего при изготовлении композита в результате реакций полимеризации, поликонденсации или кристаллизации.

Фаза – однородная по химическому составу и химическим свойствам часть термодинамической системы, отделенная от других частей (фаз), имеющих иные свойства, границами раздела, на которых происходят скачкообразные изменения свойств.

Цели лабораторных работ № 1 – 4

– Изучить принципы и условия формирования реальной структуры композитов при осуществлении типовых технологических процессов производства изделий из композиционных материалов.

– Изучить оптический метод исследования макро- и микроструктуры композитов и количественно оценить особенности формируемых структур композитов в связи с использованной технологией их изготовления или переработки.

Так, изображение поперечного сечения композитной части объекта на микроуровне, представленное на рисунке, позволяет оценить доли компонентов, однородность распределения межцентровых расстояний и промежутков между волокнами, степень совершенства структурной ячейки в выбранной модели укладки и технологии изготовления детали, степень монолитности материала.

Рис. В1. Микроструктура КМ

Используя коллекцию изделий из КМ и методические материалы электронной библиотеки лаборатории (учебные фильмы по изготовлению изделий методами намотки, выкладки и др.), схемы процессов, внесенные в журнал лабораторных работ, при написании отчета следует описать основные этапы этих типовых технологических процессов производства изделий из композиционного материала. Охарактеризовать используемые компоненты и изделия, конкретизируя тип соответствующего композитного изделия (детали). На примере нескольких образцов материалов и полуфабрикатов изучить методику получения оцифрованных изображений микроструктуры композитов и технику последующей статистической обработки результатов измерений.