книги / Материаловедение. Технология композиционных материалов. Материаловедение

7.Что называется водопоглощением материала? Какие виды водопоглощения вы знаете? Для чего определяют водопоглощение материала?

8.В какой части сооружения строители учитывают ка­ пиллярное всасывание, коэффициент фильтрации, водонепро­ ницаемость материалов?

9.Почему нежелательна высокая паропроницаемость лакокрасочных пленок?

10. Каковы числовые значения и размерности истинной и средней плотности, пористости, коэффициента плотности, те­ плопроводности и теплоемкости для тяжелого и ячеистого бето­ на, керамического кирпича и древесины?

11.От чего зависит теплопроводность материала?

12.В чем измеряется горючесть материала? Какие мате­ риалы называются негорючими?

13.Как горючие материалы классифицируются по степени токсичности?

14.Что такое огнеупорность материала?

15.Что такое звукопроводность? В каких единицах она измеряется?

16.В каком состоянии строительные материалы становятся электропроводными?

17.Какие виды нагрузок на строительный материал вы

знаете?

18.Какие виды деформаций строительных материалов вы знаете? Можно ли ими управлять?

19.Какие виды напряжений в строительных материалах вы

знаете?

20.Что такое упругость, хрупкость, текучесть, ползучесть материала? Для чего их определяют?

21.Какие виды деформации в координатах напряжениедеформация показывают материалы упругие, пластические, хрупкие?

22.Приведите примеры, упругих, пластичных и хрупких материалов, применяемых в строительных работах.

23.Что такое предел прочности материала?

24.Что такое марка конструкционного материала?

25.Что такое марка теплоизоляционного материала?

26.Чем отличается марка по прочности конструкционного материала от его класса?

27.Какие формы образцов и схемы испытаний использу­ ются для определения прочности материалов при сжатии, изги­ бе, растяжении?

28.Что такое ККК? В чем он измеряется и что показывает?

29.В каких единицах измеряется динамическая прочность материала?

30.Что такое твердость, истираемость, износ материала?

Вкаких единицах эти свойства измеряются?

31.Чем отличается гидрофильность материалов от гидрофобности?

32.Как и в каких единицах измеряют дисперсность мате­

риалов?

33.Что называется химической стойкостью материала? Для чего ее контролируют?

34.Что называется коррозионной стойкостью материала?

35.Как проверяют коррозионную и химическую стойкость материалов?

36.Как определяют и в каких показателях качества выра­ жают удобоукладываемость у паст, шликеров, красок, раство­ ров, бетонов?

37.Что такое надежность? В каких единицах ее измеряют?

38.Что такое долговечность? Каким образом можно задать этот показатель качества в проектно-конструкторской докумен­ тации?

39.Что такое тиксотропия? К каким системам применимо это свойство?

40.Как измеряются показатели удобоукладываемости сво­

боднодисперсных систем?

41. К каким системам или видам материалов применимы свойства: водопотребность, водоотделение, воздухововлечение, расслаиваемость? Что показывают эти показатели качества строителю?

3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПО КОМОЗИЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ

Еще на заре своего развития человечество стало использо­ вать искусственные строительные материалы, с целью снижения усадки добавляя в глину растительные волокна и пески, а в при­ родный битум - пески и бой горных пород. Используя природ­ ные смолы и клеи животного происхождения, добавляя в них наполнители и различные добавки, человечество изобрело пер­ вые полимерные искусственные материалы: лаки, краски и пла­ стмассы на природных органических связующих. Затем, с появ­ лением первых минеральных вяжущих в 4-3 тысячелетии до н.э. - алебастра (гипсового вяжущего) и извести, - люди создали первые бетоны на минеральных вяжущих. В XIX в. с открытием технологии портландцементов и первых искусственных поли­ меров появились цементные бетоны и пластмассы. Таким обра­ зом, человечество в быту много веков использовало искусствен­ но полученные материалы.

И только в XX в., перед Второй мировой войной, с развити­ ем самолето- и судостроения при создании новых искусствен­ ных материалов для этих отраслей американские ученые приме­ нили новый термин для них - композиционные материалы,

или сокращенно - композиты (composite). Появление этого на­ звания связано с принципиально новым направлением в техни­ ке, когда стали создаваться наукоемкие технологии, позволяю­ щие целенаправленно получать высокопрочные материалы, в основном, для авиа-, ракето-, судо-, машиностроения и косми­ ческой техники.

Сегодня к композитам можно отнести большинство совре­ менных строительных материалов: бетон, железобетон, асбесто­ бетон, фибробетон, все пластики, древесно-стружечные и дре­ весно-волокнистые плиты, герметики, краски и т.д.

3.1. Состав и строение композита

Композиционные материалы - КМ (композиты) - пред­ ставляют собой гетерогенные системы, получаемые из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каж­

-макродисперсные: диспергированная фаза состоит из час­ тиц минеральных наполнителей и заполнителей (ltd= 1);

-волокнонаполненные {волокнистые): диспергированная

фаза состоит из коротких {Ud = 10... 103) или непрерывных воло­ кон (ltd - оо);

’-чешуенаполненные: диспергированная фаза состоит из гладких чешуек;

-слоистые состоят из одного или нескольких соединенных между собой слоев листового материала (фанера, текстолиты

ит.д.);

-каркасные: армирующий компонент создает трехмерные структуры, наполняемые соответствующим связующим, (на­ пример, в железобетоне матрицей служит цементное вяжущее,

аструктурирующими компонентами являются песок, щебень

иарматура).

Волокнистые композиты, в свою очередь, бывают следую­ щих видов:

- композиты с измельченными волокнами; -однонаправленные композиты с непрерывными волок­

нами; -композиты с непрерывными волокнами, ориентирован­

ными во многих направлениях (см. рис. 3.1).

3.2. Влияние матрицы и структурирующего компонента на формирование свойств композита

Роль матрицы в армированных КМ заключается в прида­ нии изделию необходимой формы и создании монолитного ма­ териала. Объединяя в одно целое структурирующие элементы, матрица позволяет композиции воспринимать различного рода внешние нагрузки: растяжение (как в направлении армирования, так и перпендикулярно ему), сжатие, изгиб, сдвиг, истирание и других. В то же время матрица должна принимать участие в создании несущей способности композиции, обеспечивая пе­ редачу усилия на волокна, арматуру и другие структурирующие компоненты. За счет пластичной матрицы осуществляется также передача усилий от разрушенных или дискретных (коротких)

волокон соседним волокнам и уменьшение концентрации на­ пряжений вблизи различного рода дефектов. Матрица служит

изащитным покрытием, предохраняющим армирующие эле­ менты от механических повреждений и коррозии.

Материал матрицы определяет как эксплуатационные, так

итехнологические свойства композита. Технологические свой­ ства диктуют метод изготовления композиционного материала, способ его переработки и утилизации в случае разрушения. Ад­ гезионные (клеящие) характеристики материала матрицы фор­ мируют границу раздела между матрицей и структурирующим компонентом и, соответственно, свойства композита.

Дисперсными наполнителями являются: алюминиевые порошки (окись алюминия), порошок окиси железа, карбид

кремния (FeC), окись титана, слюда, асбест, кварц, карбонат и силикат кальция, граниты и другие горные породы, стеклопорошки, стеклосферы, продукты целлюлозного производства.

Положительный эффект применения наполнителей выра­ жается в увеличении прочности и жесткости материалов, улуч­ шении теплопроводности и теплостойкости, повышении износо­ стойкости и ударной вязкости, уменьшении коэффициента линейного расширения, амплитуды экзотермических пиков и пористости, увеличении модуля упругости, улучшении по­ верхности и в отдельных случаях в удешевлении материалов.

Выбор того или иного структурирующего компонента оп­ ределяется ценой, составом и технологическими требованиями, предъявляемыми к свойствам композита.

Волокна используют в качестве арматуры КМ. Они долж­ ны обладать небольшой плотностью, высокой прочностью во всем интервале рабочих температур, технологичностью, мини­ мальной растворимостью в матрице, высокой химической стой­ костью, отсутствием фазовых превращений в зоне рабочих тем­ ператур, а также быть нетоксичными при изготовлении и экс­ плуатации.

В качестве волокнистого компонента используют метал­ лическую арматуру, стеклянные, полиамидные, асбестовые, ба­ зальтовые, целлюлозные волокна, хлопок, сизаль, джут и другие натуральные волокна. Все большее место в технологии произ­

водства композитов занимают такие волокнистые наполнители, как углеродные, графитовые, борные, стальные волокна и НК (усы)21 (табл. 3.1).

Полимерные волокна используются для армирования обычно в виде тканей. Они образуют прекрасные электроизоли­ рующие слоистые материалы с высокой химической стойко­ стью, истираемостью.

В зависимости от геометрии армирующего элемента и их взаимного расположения КМ бывают изотропными или анизо­

21 НК (усы, фибра) имеют диаметр от долей микронометра до не­ скольких микрометров и длину от долей миллиметра до нескольких сантиметров; обычно они бывают кристаллическими.

тройными. Первые имеют одинаковые свойства во всех направ­ лениях; свойства вторых зависят от направления.

Кизотропным КМ относят дисперсно-упрочненные и хао­ тично армированные короткими волокнами, ориентированные

впространстве случайным образом композиты. При этом ком­ позиты получаются квазиизотропными, то есть анизотропными

вмикрообъемах, но изотропными в объеме изделия.

Канизотропным относят материалы, в которых волок­

на ориентированы в определенных направлениях (см. рис. 3.1, 3.2 и 3.3). Анизотропия КМ «проектируется» заранее с целью изготовления из КМ конструкций, в которых наиболее рацио­ нально ее использовать; такая анизотропия называется конст­ рукционной. Существует технологическая анизотропия, возни­ кающая при пластической деформации изотропных материалов (металлов), и физическая, присущая кристаллам и связанная с особенностями строения кристаллической решетки. Обычно в технике используются анизотропные КМ с определенной сим­ метрией свойств.

■ШИШ.

О ОО О о

ОООО О О

шг а ъ

ди п п

4 H R F

Рис. 3.2. Схемы армирования композиционных материалов: а - одно­ направленная; б - двухнаправленная; в - трехнаправленная; г - четы­ рехнаправленная, Укладка волокон: / - прямоугольная; 2 - гексогонапьная; 3 - косоугольная; 4 - с искривленными волокнами; 5 - систе­ ма из п нитей

в пределах 20-60 % от содержания связующего. Оптимальное содержание армирующего компонента определяется следующи­ ми параметрами: заданным уровнем прочности материала, сни­ жением прочностных характеристик с ростом содержания вто­ рой фазы, стоимостью композита и легкостью переработки (табл. 3.2).

Чем больше объемное содержание волокон, тем выше пре­ дел прочности и модуль упругости вдоль оси армирования. Од­ нако необходимо учитывать, что матрица может передавать Ha-

пряжение волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела между матрицей и арми­ рующим волокном. Для предотвращения контакта между волок­ нами матрица должна полностью окружать волокна, что дости­ гается при ее содержании в композите не менее 15-20 %.