Полимерная композиция что это такое

Полимерные композиционные материалы

Среди большинства материалов наиболее популярными и широко известными являются полимерные композиционные материалы (ПКМ). Они активно применяются практически в каждой сфере человеческой деятельности. Именно данные материалы являются основным компонентом для изготовления различных изделий, применяемых с абсолютно разными целями, начиная от удочек и корпусов лодок, и заканчивая баллонами для хранения и транспортировки горючих веществ, а также лопастей винтов вертолетов. Такая широкая популярность ПКМ связана с возможностью решения технологических задач любой сложности, связанных с получением композитов, имеющих определенные свойства, благодаря развитию полимерной химии и методов изучения структуры и морфологии полимерных матриц, которые используются при производстве ПКМ. Т.е. использование ПКМ делает конструктивный материал или само изделие в разы легче, что и является главной причиной того, что данные материалы практически незаменимы.

Итак, что же представляют собой полимерные композиционные материалы. Стоит сказать, что композитом называется абсолютно любой материал, имеющий несколько составляющих. Композиционные материалы (или композиты) представляют собой многокомпонентные материалы, структура которых состоит из: пластичной основы (матрицы) и армированных наполнителей. Последние, как правило, являются очень прочными и жесткими. Благодаря возможности сочетать различные вещества становится возможным получать каждый раз новый материал, отличающийся своими свойствами от свойств каждого из его компонентов как качественно, так и количественно.

Так, в основе композитных материалов может находиться любой компонент, начиная от керамики и стекла, и заканчивая металлом и углеродами. Использование того или иного наполнителя напрямую зависит от того, насколько жестким, прочным, деформируемым получится материал на выходе. А матрица влияет на монолитность материала, передачу натяжения в наполнителе, а также устойчивость к разного рода воздействиям. Их главным отличием и преимуществом является то, что их матрица образуется из разнообразных полимеров, которые и являются связующим материалом для арматуры. В свою очередь, арматурой могут служить волокна, ткани, пленки и другие материалы.

Свойства полимерных композиционных материалов

Как уже говорилось выше, ПКМ являются очень прочными материалами. Сказать о том, что абсолютно все подобные материалы обладают одинаковыми свойствами, будет не верно. Ведь, в процессе производства путем компоновки разных материалов получается совершенно новый ПКМ со своими индивидуальными свойствами. Однако, некоторые, так сказать, общие свойства, присущи практически каждому такому материалу, все таки существуют. К ним относятся:

Стоит также отметить, что ПКМ имеют ряд преимуществ, в отличие от других материалов, которые заключаются в технологичности, относительно низкой стоимости, простоте изготовления, а также в низкой плотности. Однако, стоит упомянуть и о недостатках, которые также присутствуют, несмотря на множество положительных характеристик. К недостаткам можно отнести малый температурный диапазон, при котором допустимо использовать данные материалы, относительно малые значения межслойной сдвиговой прочности и отрыва. На сегодняшний день присутствуют такие связующие, которые позволяют работать с изделиями из ПКМ при температурах, не выше 300-400 градусов Цельсия.

Технология полимерных композиционных материалов

На сегодняшний день существует полимерные композиты можно разделить на четыре основные группы:

Стоит отметить, что если при производстве ПКМ применяется дисперсный наполнитель, в таком случае присутствует еще одна стадия технологического процесса – мокрого метода.

Статьи по теме

Свойства полимеров

Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения материалы на основе полимеров можно классифици­ровать следующим образом: пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи.

Эмульсионная полимеризация

Полимеризующиеся ПАВ применяются в процессах эмульсионной полимеризации, например при превращении винилхлорида в поливинилхлорид, а также акрилатов и винилацетата в латексы для покрытий.

Органические полимеры

Полимеры – это высокомолекулярные соединения, состоящие из множества повторяющихся различных или одинаковых по строению атомных групп – звеньев.

Мономеры полимеризации

Источник

Полимерные композиционные материалы

Полимерные композиты – общее название двух- либо многокомпонентных материалов на основе макромолекулярного соединения (пластика), которое армируется различными наполнителями. Матрица выполняет функцию связующего звена, тогда как добавки обеспечивают необходимые физические параметры. По своим свойствам полимерные композиционные материалы не уступают традиционным аналогам, а зачастую превосходят их. При этом они значительно легче. Это обеспечивает ПКМ широкое применение: от декоративных поделок до авиационной и космической отраслей.

Свойства

Изменяя составы и процентное содержание веществ, можно получить огромное количество новых производных материалов с разными характеристиками прочности, жесткости, теплопроводности, электроизоляции, химической, температурной стойкости.

Масса

Плотность полимерных композитных материалов варьируется в широком диапазоне: от 400 до 2800 кг/м3. Средний же показатель составляет 1400 кг/м3, что в 5-6 раз меньше, чем у часто используемых в производстве черных и цветных металлов. Для сравнения, плотность железа – 7800, меди – 8900 кг/м3. И даже алюминий с плотностью 2700 кг/м3 уступает этому параметру практически в 2 раза.

Прочность

При небольшой массе композитные полимеры обладают отличными физико-механическими свойствами. Их предел прочности варьируется в диапазоне 70-1800 МПа. Самым прочным соединением из ПКМ является углепластик. Аналогичный показатель у углеродистых сталей равен 240 МПа, у алюминиевых сплавов – 50-440 МПа.

Температурное расширение

Коэффициент теплового расширения полимерных композитов зависит от их состава и структуры, но в среднем он значительно меньше, чем у металлов и неармированных пластиков. КТР углепластиков сопоставим с КТР кварца.

Электропроводность

Ряд ПКМ с наполнителем из стекловолокна и базальтового волокна являются превосходными диэлектриками. В то же время удельное сопротивление углепластиков невелико, что позволяет использовать их в электротехнике в качестве проводников.

Химическая стойкость

Вариативность составов композитов позволяет подобрать материал с необходимой стойкостью к определенной химической среде. Например, стеклопластики и базальтовые пластики не разрушаются в электролитах. Некоторые соединения способны противостоять 24-процентному раствору серной кислоты при температуре до 80 °с.

Теплоизоляционные характеристики

Полимерные композиты относятся к материалам с низким коэффициентом теплопроводности. Так, для стеклопластика этот параметр составляет 0,75 Вт/м °с. Для сравнения коэффициент теплопроводности железа 64 Вт/м °с, алюминиевых сплавов 150-200 Вт/м °с.

Виды ПКМ

Классификация полимерных композитных материалов производится по матрице и наполнителю.

Матрица

Номенклатурный ряд используемых в матрице полимеров достаточно велик. Поэтому основная классификация проводится по двум видам:

Реактопласты

К термореактивным относятся низкомолекулярные олигомеры: фенолоальдегидные, полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные смолы, бисмалеинимиды, смеси имидообразующих мономеров. При комнатной температуре матрица сохраняется в жидком состоянии. Реактопласты обладают лучшей прочностью, термостойкостью, пропитывающей способностью, адгезией, низкой вязкостью. К недостаткам относятся хрупкость, высокая пористость материалов, лимитированный срок хранения заготовок, токсичность используемых растворителей, необходимость термической обработки в процессе формовки, что увеличивает ее время. Изготовление конечной продукции сопровождается необратимой каталитической реакцией, вследствие чего она характеризуется неплавкой структурой с высокопрочными молекулярными связями. Вторичной переработке изделия не подлежат. Это создает определенные проблемы, связанные с их утилизацией. Новые технологии предполагают удаление смолы путем пиролиза с выделением из нее наполнителя.

Термопласты

К термопластичным относятся высокомолекулярные соединения: полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, фторопласты. При естественных условиях матрицы находятся в твердом состоянии, при этом срок хранения практически не ограничен. Для пропитки наполнителя они разогреваются до расплавления. Процессы нагрева и отверждения можно выполнять многократно. В зависимости от структуры термопластичные полимеры подразделяют на аморфные и частично кристаллические. Первые отличаются изотропностью свойств, эластичностью и высоким поверхностным трением. Для кристаллических характерны ударная прочность, термостойкость, химическая инертность. Недостатком термопластов является более быстрое старение под воздействием окружающей среды. Однако этот минус компенсируется возможностью переработки. Процесс формовки изделий включает нагрев матрицы, пропитку волокон под давлением и последующим охлаждением при сохранении этого же давления. Технология достаточно сложна и требует использования дорогого оборудования, что увеличивает стоимость конечной продукции.

Наполнитель

Вторая общая классификация полимерных композитных материалов производится на основании вида наполнителя. Здесь также выделяют две группы: армированные и дисперсно-наполненные (дисперсно-упрочненные). В свою очередь армированные подразделяются на волокнистые и листовые. Количественное содержание наполнителя в структуре ПКМ может варьироваться в широком диапазоне и достигать отметки 98%. В зависимости от этого параметра материалы рассматриваются, как низконаполненные, высоконаполненные и предельнонаполненные. Гибридные композиты могут содержать несколько разных видов наполнителей, что позволяет создавать полимерные материалы с уникальными наборами свойств.

Стеклопластики

Стеклопластиками называют полимерные композиты с армированием волокнами, получаемыми путем расплавления неорганического стекла. Иногда наполнителем служит стеклоткань. Такие материалы называются стеклотекстолитами. Основой могут выступать как реактопласты, так термопласты. Стеклопластики характеризуются прочностью, низкой электропроводностью, диэлектрическими свойствами. Они пропускают радиоволны, что определило их первое практическое применение. Во время Второй мировой войны из стеклопластиков изготавливали антенные обтекатели – сооружения для защиты локационных устройств от внешних воздействий. Изначально количество стеклянных волокон в материале было небольшим, армирование выполнялось, в основном, в целях предотвращения грубых деформаций основы. Однако в последующем акценты стали смещаться в сторону увеличения количества наполнителя до 80% от общей массы, в то время как за матрицей осталась только связующая функция.

Стеклопластики – недорогие композиционные материалы с отличными характеристиками, среди которых малый вес, прочность, химическая стойкость, но массовое производство изделий из них длительное время сдерживалось отсутствием технологий получения сложных форм. В настоящее время эта проблема полностью решена, и полимерные композиты используются практически во всех отраслях хозяйства. Из них изготавливают корпуса планеров, легкомоторных самолетов, маломерных водных судов, ракетных двигателей, кузовные панели и обвесы автомобилей, бассейны, водные аттракционы, оснащение для парков, печатные платы, оконные и дверные профили, диэлектрические лестницы, емкости, травильные ванные, напорные и безнапорные трубы, газовые дымоходы, вентиляционные шахты, строительные и облицовочные материалы, бытовые изделия, рыболовные удилища, предметы интерьера и многое другое.

Углепластики

Армирующую функцию в углепластиках выполняют углеродные волокна или нити, сплетенные листы. Матрицей могут выступать как реактопласты, так термопласты. Сырьем для получения углеродных волокон служат синтетические или природные материалы: целлюлоза, вискоза, сополимеры акрилонитрила, фенольные смолы, нефтяные и угольные пеки и пр. В результате специальной термической обработки из волокон удаляются побочные компоненты и остаются лишь атомы углерода. Процесс выполняется в 3 этапа.

В итоге обработки получаются нити диаметром 0,005-0,010 мм с содержанием углерода до 99%. В зависимости от сырья и режимов термической обработки значения прочности углепластиков варьируются в пределах 1-9 ГПа, модуля упругости 100-600 ГПа. При небольшой плотности (1400-2000 кг/м3) они превосходят по удельной жесткости металлы в 5-10 раз. Немаловажным фактором является низкий коэффициент теплового линейного расширения. В отличие от стеклопластиков углепластики проводят электрический ток. По набору характеристик они являются удачной альтернативой металлическим конструкциям, особенно в тех случаях, когда нужно снизить массу. Углеродные композиты используются в ракетно-космической отрасли, авиастроении, судостроении, автомобилестроении, в производстве медицинской техники, спортивного инвентаря, супинаторов, бытовой техники, в строительстве для усиления железобетонных конструкций. В то же время практическое применение углепластиков несколько ограничено их дороговизной, вызванной сложностью технических процессов и необходимостью использования специального оборудования, включая автоклавы.

Боропластики

К боропластикам относятся полимерные композитные материалы, в которых роль армирующего наполнителя возложена на борные волокна, которые могут быть иметь вид мононитей, жгутов, лент, листов. Для повышения ударной вязкости и снижения стоимости материала в тканях борные нити переплетают стеклянными. В качестве связующей основы чаще всего используются термореактивные смолы.

Толщина борной нити 0,08-0,2 мм, прочность – 2,5-4 ГПа, модуль упругости 380-420 ГПа. Боропластики отличаются большой твердостью, прочностью на сжатие и высокой усталостной устойчивостью. При длительной эксплуатации (около 10 лет) в тяжелых условиях под постоянным воздействием воды и технических масел механические характеристики изделий снижаются не более чем на 10-15%.

Технология получения борных волокон достаточно сложна, а большая толщина нитей усложняет формовку изделий. В связи с этим стоимость боропластиков велика, а использование ограничено. В основном композит применяется в самолетостроении и космической сфере для изготовления узлов, подвергающимся регулярным высоким нагрузкам и эксплуатирующимся в условиях химически активных сред.

Органопластики

В органопластиках используются органические синтетические волокна на основе: ароматических полиамидов, жесткоцепных полимеров, алифатических полиамидов, сверхвысокомолекуляного полиэтилена. Наполнитель может иметь форму мононитей, жгутов, лент, тканей, листов. В зависимости от типа матрицы органопластики подразделяются на термореактивные и термопластичные. Количественное содержание наполнителя варьируется в широком диапазоне: от 10 до 95%. На комплекс технических характеристик влияет не только состав и соотношение компонентов, но также направление макромолекул в волокнах. При их ориентации вдоль полотна значительно возрастает прочность на растяжение. Анизотропная структура может иметь армирование в одном (нити), двух (листы), трех (каркасы) направлениях.

Органопластики характеризуются низкой плотностью (1,1-1,4 кг/м3), высокими показателями удельной прочности, модуля упругости, ветроустойчивости, стойкости к переменным и постоянным динамическим нагрузкам, усталостной прочности, обладают радиопрозрачностью, диэлектрическим свойствами, низкой тепло- и звукопроводностью.

Органопластики широко используются в авиационной и космической отрасли, в производстве автомобилей и водного транспорта, машиностроении, приборостроении, при изготовлении спортивного инвентаря. Из материалов, армированные пара-арамидным волокном (кевларом), изготавливают бронежилеты. Их прочность превосходит показатели стали в 2-3 раза.

Дисперсно-наполненные полимеры

Одна из наиболее распространенных форм полимерных композитов – материалы с порошковым наполнением. Всего существует более 10 тысяч марок таких ПКМ. Наполнение термореактивных либо термопластичных матриц выполняется как с целью придания материалу особых характеристик, так и просто для снижения стоимости продукции. В качестве добавок используются природные и искусственные материалы: песок, глина, мел, тальк, древесная мука, стеклянные шарики и пр. Оценка свойств выполняется более чем по 40 параметрам, среди которых физико-механические, химические, электротехнические, оптические, теплоизоляционные и другие характеристики.

При производстве дисперсно-наполненных композиционных материалов в учет принимаются такие характеристики наполнителя, как форма частиц, их размер с разделением по фракциям, удельная поверхность, пористость, плотность, максимальная объемная доля, прочность.

Форма частиц влияет на вязкость и концентрацию напряжений в композите. Эти параметры возрастают с увеличением коэффициента kE от 2,5 у шарообразных наполнителей до 5,9 у эллипсоидов с десятикратной разницей размеров полуосей.

Поскольку форма частиц может быть произвольной, то при расчете размеров принимается диаметр сферы аналогичного объема. По этому параметру различают наполнители ультрадисперсные (менее 1 мкм), высокодисперсные (1-10 мкм), среднедисперсные (10-40 мкм), крупнодисперсные (более 40 мм). Практически все добавки имеют в своем составе частицы разных фракций. Различия могут проявляться в большей или меньшей степени.

Важной характеристикой порошковых составов является удельная поверхность. Она рассчитывается как площадь поверхности наполнителя, приходящаяся на единицу массы или объема. Показатель Sуд может находиться в диапазоне 0,3-1100 м2/г.

Наполнитель может иметь открытые и закрытые поры. При пропитке они заполняются полимером полностью, частично, либо не заполняются вообще. Введение в композит полых внутри сферических частиц позволяет получать прочные легкие материалы с высокими тепло- и звукоизоляционными характеристиками, к которым относятся сферопласты и синтактные пены.

К основным характеристикам порошков относят их истинную rист и насыпную rнас плотности. Параметры используются для расчета навесок материала и определения максимальной объемной доли наполнителя.

Максимальная объемная доля φm указывает на предельно возможное содержание вещества в полимерном композите. Параметр зависит от формы частиц и их упаковки. Наибольшей максимальной объемной долей обладают сферы. Для промышленно применяемых составов параметры φm находятся в диапазоне 0,15-0,95.

Прочность наполнителя влияет на эксплуатационные характеристики композита, однако ее определение для мелких частиц практически невозможно. Поэтому при расчетах используют показатели твердости.

Текстолиты

К текстолитам относят разные по составу полимерные композиционные материалы, получаемые методом горячего прессования. Наполнителем могут выступать натуральные или искусственные ткани: хлопчатобумажные, стеклянные, углеродные, асбестовые, базальтовые. Технология производства включает стадии пропитки, сушки и последующего прессования. Изначально текстолиты выпускались исключительно в виде пластин, но в настоящее время возможно производство изделий различных форм.

В виду многообразия структур и компонентов текстолита их эксплуатационные свойства различны, а сфера применения широка. Марки включают материалы, поделочного, конструкционного, маслостойкого, электротехнического назначения. Из текстолита изготавливают столешницы, декоративные и строительные панели, печатные платы, подшипники, шестеренки, узлы деталей машин, работающих в агрессивных средах, амортизирующие прокладки, уплотнительные кольца, электроизолирующие детали. Мировое производство текстолита достигает уровня 500 тыс. тонн в год.

Производство композиционных материалов

Волжский завод полимеров осуществляет производство композиционных материалов, которое включает в себя несколько экструзионных линий, срок эксплуатации которых не превышает трех лет. Производственный процесс осуществляются на немецком, японском и китайском оборудовании. Немецкое оборудование:«WERNER and PFLEINDERER ZSK-70», Японское оборудование: «NR-46mm SG Twin Screw Extuder», Китайское оборудование — Линия водокольцевой грануляции TSE75. Объём выпускаемой продукции составляет до 1000 тонн ежемесячно. Управление и обслуживание производственного процесса производится квалифицированным персоналом, который прошел обучение технологиям производства и эксплуатации оборудования.

Источник

Виды и применение композитных материалов

Композитные материалы (КМ) – это «супер-вещества», которые получают соединением двух и более компонентов. Компоненты в существенной степени отличаются друг от друга по своим свойствам. Сочетание их приводит к тому, что образуются новые материалы с уникальными свойствами, отличными от исходного сырья. То есть это суперновые материалы, вобравшие в себе, все лучшее от родителей.

Структура композитных материалов

Композитные соединения состоят из двух основных частей. Первая – это матрица, вторая – это наполнитель. Новые композитные вещества превосходят привычно используемые материалы по прочностным, механическим характеристиками и выгодно отличаются по массе, имея легкий вес.

Для примера композитных материалов можно привести клееную фанеру.

По своей структуре композитные материалы можно разделить на несколько групп:

Волокнистые композиты – это материалы, улучшение свойств которых производится волокнами или нитевидными кристаллами. Например, кирпич с соломой. Незначительное введение добавки наполнителя приводит к появлению новых, уникальных свойств.

А, к примеру, добавка электропроводящих волокон придает материалу новое свойство – проводить электрический ток.

Если композитный материал имеет слоистую структуру, то в нем матрица и наполнитель располагаются слоями. Примером можно привести стекло, покрытое слоями полимерных пленок.

Другие представители композитных материалов имеют структуру, которая представлена матрицей и наполненными ее частицами, отличающимися по размерам.

Полимерные композитные материалы

Полимерные композитные материалы (ПКМ), имеют в качестве своей базы полимерную основу-матрицу. Это самый многочисленный вид КМ. Их применение позволило значительно снизить вес и улучшить эксплуатационные характеристики многих вещей. Так, к примеру, применение ПКМ при изготовлении искусственного спутника земли привело к снижению его веса, а облегчение на 1 кг дает экономию в 1000 долларов.

Стеклопластики

Полимерные композиты, армирование которых проводят стеклянными волокнами. Данные волокна получают формированием при нагревании неорганического стекла. В качестве матрицы выступают фенольные, эпоксидные смолы или термопластичные полимеры.

Материалы характеризуются: прозрачностью к радиоволнам, прочностью и электроизоляцией, низкой теплопроводностью.

Стеклопластики – это дешевый и доступный материал, его применяют в приборостроении, судостроении, строительстве, при изготовлении спортивных товаров.

Углепластики

В данных КПМ наполнителями служат углеродсодержащие волокна, которые «добывают» из натуральных или искусственно созданных волокон.

Матрицей также служит термореактивный или термопластичный полимер.

Преимущества: низкая плотность, высокий коэффициент упругости, они легкие по массе, но в тоже время очень прочные, хорошо проводят электрический ток.

Применяются в авио-, машино- и ракетостроении, а также при производстве космической техники, спортивных товаров, медицинских протезов.

Боропластики

Матрица – термореактивный полимер.

Наполнитель – борные волокна, борные жгуты.

Борные волокна имеют большую прочность при сжатии, чем волокна других материалов. Поэтому и получаемые с их использованием материалы обладают отличными прочностными, износостойкими характеристиками, а также характеризуются инертностью к агрессивным средам. Но в тоже время, им свойственна хрупкость, что вводит определенные ограничения на использование.

Есть у данных ПКМ еще один минус – высокая цена, по данной причине область их использования достаточно узкая. Применяются главным образом только при изготовлении деталей, которые используются при высокой нагрузке и требует высокой надежности.

Органопластики

Основа – преимущественно используют эпоксидные, полимерные, фенольные смолы.

Отличаются низкой плотностью, легкостью. Имеют высокую прочность. Отличное сопротивление к ударам, а также устойчивость к динамическому воздействию, нагрузкам. Но при всем при этом их прочность при изгибе и сжатии мала.

Применяются при машино-, авио-, судостроении, космической и авиационной технике, производстве спорт инвентаря и радиоэлектроники.

Полимеры наполненные порошками

В наше время применяют дешевые наполнители, такие как каолин, для термопластичной/термополимерной матрицы. Данные соединения используют для изготовления электроизоляционных материалов, труб. Сажу применяют для наполнения при изготовлении резин.

Текстолиты

Это полимерные материалы, имеющие слоистую структуру и применяемые для изготовления, например кухонных поверхностей, в качестве армирующего элемента используют ткани.

Композитные материалы с металлической матрицей

Название «материалы с металлической матрицей» говорит само за себя. Матрица – металл. Это может быть никель, или алюминий, или медь. Так как мы говорим о композиционных материалах, то нужно указать и наполнитель, в качестве которого применяют волокна. Главное условия при их выборе, они не должны растворяться в матрице. Упрочнение металла за счет использования наполнителей придает ему новые свойства – повышается жаростойкость и прочность. К примеру, алюминий можно использовать при температуре 250-300 0 С, а если провести его армирование волокнами бора, то температурные рамки расширяется до 450-500 0 С.

Композитные материалы на основе керамики

Не все волокна для керамики «одинаково полезны», но, тем не менее, применение некоторых из них дает возможность получить материалы с повышенной прочностью.

Использование металлических волокон позволяет незначительно увеличить сопротивление растяжению и повысить стойкость к тепловому воздействию.

Применение в качестве, наполняющих частиц – дисперсных металлических добавок, дает возможность получить керметам – материал с повышенной теплопроводностью и стойкостью к термоударам.

Из данных материалов изготавливают части, детали электропечей, газовых турбин, ракетной и реактивной техники, а также режущие инструменты.

Композиционные материалы – это улучшенные соединения, это как валенки с калошами и тепло, и ноги не промокают.

Два ключевых момента, которые нужно знать о чудо композитных материалах:

Источник