Состав и строение композиционных строительных материалов

   Механические и другие свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-волокно. Соотношение этих параметров характеризуют весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения. Работоспособность композита обеспечивается, как правильным выбором исходных компонентов, так и рациональной технологией производства, обеспечивающей сохранение их первоначальных свойств.

   Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования позволяет точечно регулировать показатели прочности, жесткости, а также уровень рабочих температур и другие механические и физические свойства материалов путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и пр.

   Для волокнистых композиционных материалов существует несколько классификаций, например, материаловедческий (по природе компонентов); конструктивный (по типу арматуры и ее ориентации в матрице). Можно выделить несколько больших групп композитов: с полимерной матрицей (пластики), с металлической матрицей (металлокомпозиты), с керамической матрицей и матрицей из углерода.

- подробно узнать о всех работах, выполняемых в составе экспертизы, можно в разделе: «Строительно-техническая экспертиза. Судебная экспертиза.»

   В зависимости от происхождения волокон, применяемых для армирования, выделяют следующие разновидности композитов, к примеру, на полимерной матрице: стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики и т.д. То же и на других матрицах.

   Различают композиты и от способов армирования: компактнообразованные из слоев, армированных параллельно-непрерывными волокнами, армированные тканями с хаотическим и пространственным армированием.

   В зависимости от вида армирования композиты могут быть разделены на две группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые, которые отличаются структурой и механизмом образования высокой прочности.

Дисперсно-упрочняющие композиты

   Дисперсно-упрочняющие композиты представляют собой материал в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы, оптимальное их содержание 2-4%. Но эффект упрочнения связан с размерами частиц и их сближением, т.е. концентрацией. Например, при упрочнении мелкими частицами (0,001-0,1мкм) объемная концентрация может доходить до 15%; при частицах более 1,0 мка объемная концентрация может быть 25% и более. При этом повышается прочность, твердость теплостойкость, сохраняется эластичность (например, матрица – битум, каучук, искусственный полимер; упрочняющие частицы – мел, слюда, углерод, кремнезем, известняк). В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица.

   В волокнистых, по структуре, композитных материалах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения при внешних и внутренних нагрузках и обеспечивают необходимую жесткость и прочность. Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении волокон в пластичной матрице, объемная доля их может достигать 75% и более.

   Армирующие волокна должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первых относятся требования по прочности, жесткости, плотности, стабильности свойств в определенном температурном интервале, химической стойкости и т.п.

   Теоретическая прочность материалов возрастает с увеличением модуля упругости и поверхностной энергией вещества и уменьшается при увеличении расстояния между соседними атомными плоскостями.

- подробно узнать о всех работах, выполняемых в составе обследования, можно в разделе: «Обследование конструкций, помещений, зданий, сооружений, инженерных сетей и оборудования.»

   Следовательно, высокопрочные твердые тела должны обладать достаточно высоким модулем упругости и поверхностную энергию и возможно большее число атомов в единице объема. Этим требования удовлетворяют бериллий, бор, углерод, азот, кислород, алюминий и кремний. Наиболее прочные материалы всегда содержат один из этих элементов, а зачастую состоят только из этих элементов.

   При создании волокнистых композитов применяются высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические пластины проволоки, а также волокна и нитевидные кристаллические составляющие ряда карбидов, оксидов, нитридов и прочих соединений. Арматурные компоненты в композитах применяются в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов.

   К технологическим требованиям относятся такие, которые дают возможность создания высокопроизводительного процесса изготовления изделий на их основе. Важным требованием также является совместимость волокон с материалом матрицы, т.е. возможность достижения прочной связи волокно-матрица при сохранении исходных значений механических свойств компонентов.

Матричные материалы

   Матричные материалы. Матрица обеспечивает монолитную структуру композита, фиксирует заданную форму изделия или конструкции и взаимное расположение армирующих волокон, распределяет действующие напряжения по объему материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна и ее перераспределение при разрушении частиц волокон. Материал матрицы определяет метод изготовления изделий, возможность выполнения конструкций заданных габаритов и формы, а также параметры технических процессов и т.д. Требования, предъявляемые к матрицам, можно разделить на эксплуатационные и технологически. К эксплуатационным относятся требования, связанные механическими и физико-химическими свойствами материала матрицы, обеспечивающими работоспособность композиции при действии различных эксплуатационных факторов. Технологические требования определяются процессами получения композита, т.е. совмещения армирующих волокон с матрицей и окончательного формирования изделия.

   Целью технологических операций является обеспечение равномерного распределения волокон в матрице (без касания между собой) при заданном их объемном содержании; максимально возможное сохранение свойств волокон, главное – прочности; создание достаточно надежного взаимодействия на границе волокно-матрица.

- подробно узнать о всех работах, выполняемых в составе исследований и экспертизы, можно в разделе: «Исследование конструкций и материалов. Экспертиза деталей, изделий, узлов, элементов и пр.»

   Границы раздела. В первую очередь адгезионное (склеивающее) взаимодействие волокна и матрицы определяют уровень свойств композитов и их работу при эксплуатации. Локальные напряжения в компоненте достигают максимальных значений вблизи или непосредственно на границе раздела, где обычно и начинается разрушение материала. Граница раздела должна обеспечивать эффективную передачу нагрузки от матрицы на волокна. Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием термических и усадочных напряжений, в следствие различия в температурном коэффициенте линейного расширения матрицы и волокна или в результате химической усадки связующего при его отвердении. Защита волокон от воздействия внешней среды также в существенной степени определяется адгезионным взаимодействием по границе раздела.

  Авторы: редакционная статья ТехСтройЭкспертизы

Техническая строительная экспертиза

Узнать стоимость и сроки online, а также по тел.: +7(495) 641-70-69; +7(499) 340-34-73; e-mail: manager@tse-expert.ru 


Читайте также: