Композитные материалы: микроструктурное проектирование 1) Принципы выбора материалов для композитов 2) Перспективы применения композитных систем
Композитные материалы Композитный материал, также называемый композиционный материал или композит это искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, различных по физическим и химическим свойствам, которые остаются раздельными на макроскопическом уровне в финишной структуре. Композитные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др. ); при этом композитные материалы позволяют эффективно использовать индивидуальные свойства составляющих композиции.
Преимущества композиционных материалов: Главное преимущество композиционных материалов в том, что материал и конструкция создается одновременно. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый материал инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства. l высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа) l высокая жёсткость (модуль упругости 130… 140 240 ГПа) l высокая износостойкость l высокая усталостная прочность l из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции l легкость Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.
Недостатки композиционных материалов Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками: l высокая стоимость l анизотропия свойств l повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны
Теоретически, для получения композита вполне достаточно два любых материала (рис. 1). Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик. Рис. 1. Классы материалов, из которых полу чают композиты
Виды композиционных материалов Стеклопластики — полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. Углепластики — наполнителем в этих Намотанные полимерных органопластиковые композитах служат углеродные волокна. Стеклопластик двигатели твердого Углепластик(карбон) Органопластики — композиты, в которых топлива наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т. д. Текстолиты — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Полимеры Текстолит композиционные материалы с металлической матрицей
Компоненты композитных материалов при смешивании могут образовывать множество различных геометрий.
Принципы выбора материалов для композитов Существуют три принципа выявления материалов для получения композитов с наиболее полезными свойствами: 1) используются показатели эксплуатационных характеристик, на основе которых выделяют только те сочетания материалов, которые максимизируют эксплуатационные качества композитов; 2) используются графики подбора и назначения материалов. При построении этих графиков учитываются свойства обоих материалов и получаемые показатели эксплуатационных характеристик композитов; 3) определяются пределы, на основе которых далее находят крайние значения для заданной композитной системы (Эшби 1993).
1 принцип: использование показателей эксплуатационных характеристик Показатель эксплуатационной характеристики — это свойство (группа свойств), которая оценивает эффективность материала при выполнении заданной функции (Эшби 1999). Например: В тех направлениях использования, где осуществляется растяжение материала, наилучшим будет тот материал, который обладает наибольшей удельной жесткостью Е/ρ. Самые легкие материалы для элементов, которые подвергаются изгибам, должны обладать наибольшим значением E 1/2/ρ. Наилучшие пружины изготавливают из материалов с наибольшими значениями σf 2/E, где σf это предел текучести (разрушающее напряжение). При выборе материала наиболее подходящим является тот, который обладает наибольшим значением соответствующего показателя. Показатели обеспечивают выявление тех материалов, сочетание которых в композите ведет к проявлению неких новых свойств.
2 принцип: использование графиков подбора и назначения материалов. Показатели могут учитывать несколько свойств. Это наталкивает на идею построения графиков свойств с целью оценки обоих свойств и их сочетаний. Пример такого графика приведен на рис. 3. Оцениваемые в данном случае свойства — модуль Юнга Е и плотность ρ. Используется логарифмический масштаб, причем диапазон включает практически все конструкционные материалы. На этих осях показатель Е/ρ проявляется в виде наклонных линий 1; показатель E 1/2/ρ в виде наклонных линий 2. Для определения оптимальных значений других показателей используются, соответственно, другие графики. Графики и показатели подробно описаны в работе Эшби (1999). Рис. 3. Схематическое изображение графика выбора: зависимость модуля Юнга Е от плот ности ρ. а — техническая керамика; б — тех нические сплавы; в — технические компози ты; г — полимерные пены
3 принцип: определение пределов При исследовании нового композита выделяют семь основных механических и термических свойств: плотность, модуль растяжения, прочность, вязкость, теплопроводность, коэффициент термического расширения и теплоемкость (табл. 1). И на их основе вычисляют другие свойства (трещиностойкость, коэффициент теплопропроводности и др. ). Термин «предел» используется для описания точного предела (значения, ниже/выше которого значение показателя свойства материала быть не может). Если получить пределы невозможно, используют «интервал значений» (тот интервал, в пределах которого лежат все возможные значения показателей свойств материалов). Для плотности и удельной теплоемкости вычисляются точные значения. Остальные свойства устанавливаются, исходя из пределов. По возможности используют микроструктурное моделирование, начало которому положили работы Халла (1981), Келли и Макмиллана (1986), Чамиса (1987) и Эшби (1993). Пределы и интервалы значений устанавливают диапазон свойств для определенных типов матриц. Используя эти данные, мы можем прогнозировать свойства большой группы материалов, не занимаясь детальным уточнением их составов.
Перспективы применения композитных систем Завершающим шагом проектирования композитов является объединение показателей, графиков и пределов. Рассмотрим пример, из которого видно, что в основе проектирования лежит один и тот же метод, который, при желании, можно расширить: Проектирование композита, обладающего свойством жесткости при минимальном весе
Проектирование композита, обладающего свойством жесткости при минимальном весе Сначала рассмотрим проектирование композита для легкой жесткой конструкции в форме неподвижной рамы, нагрузка на которую приводит к изгибу конструкции. Эксплуатационное качество определяется показателем E 1/2/ρ. Представим, что эта балка изготовлена из алюминиевого сплава, который можно сделать более жестким путем добавления частиц или волокон бериллия (Be) или оксида алюминия (А 12 О 3). Оба этих материала намного жестче алюминия (они имеют более высокие значения модуля растяжения). На рис. 4 показан небольшой конечный участок графика Е - ρ. На графике изображены три группы материалов: алюминий и его сплавы, бериллий, оксид алюминия. Плотность композитов, изготовленных из этих материалов, определяется из уравнения (1), модули растяжения — из уравнений (2) и (3). Плотность Когда объемная доля f армирующей добавки r (плотностью ρr) смешивается с объемной долей (1 - f) матрицы т (плотностью ρm) для образования композита с отсутствием остаточной пористости, плотность композита рассчитывается по правилу смесей (среднее арифметическое объемных долей) Модуль растяжения композита рассчитывается с использованием пределов Войта и Реусса: где Er — модуль Юнга наполнителя (армирующей добавки), Ет — модуль Юнга матрицы (связующего). Существуют и более строгие уравнения для определения модуля растяжения, но они используются крайне редко.
Значения обоих модулей зависят от объемной доли армирующей добавки и, следовательно, от плотности. Таким образом, верхний и нижний пределы взаимосвязи модуля и плотности можно построить на графике Е ρ, причем в качестве параметра следует использовать объемную долю f (как на рис. 4). Модуль растяжения любого композита, полученного при сочетании алюминия и бериллия, лежит в пределах огибающей Аl—Be. Модуль растяжения любого ком позита, полученного при сочетании алюминия и оксида алюминия, лежит в пределах огибающей А 1—А 1203. Волокнистая армирующая добавка позволяет получить продольный модуль растяжения (параллельный волокнам), значение которого лежит возле верхнего предела. Армирующая добавка в порошковой форме или поперечно нагруженные волокна позволяют получить значения модулей растяжения, лежащие возле нижнего предела. На рис. 4 наложена сетка, которая показывает, что показатели эксплуатационных характеристик М — это величина, которую мы максимизируем. Огибающая для композитов Al—Be проходит перпендикулярно сетке, а огибающая для композитов А 1—А 12 O 3 в начале графика параллельна сетке М. Таким образом, 30 % порошкового А 12 O 3 практически не дают выигрыша в М. Это связано с тем, что модуль растяжения бериллия и А 12 O 3 увеличивается, но плотность бериллия уменьшается (оба показателя более чувствительны к плотности, чем к модулю растяжения).
Рис. 4. Участок графика «модуль растяжения — плотность» для алюминиевых сплавов, берилия и оксида алюминия. Модули растяжения композитов А 1—Be и А 1— Al 2 O 3 получены из предельных значений уравнений (1), (2) и (3). Композит А 1—Be дает больший выигрыш в М, чем композит Al 2 O 3. а — показатель эксплуатационной характеристики E 1/2/ρ ((ГПа 1/2·м 3)/мг); б — нижний предел (частицы)
Выводы Разработка нового композита представляет собой долгий и дорогостоящий процесс. Перед началом процесса разработки необходимо выявить все возможные плюсы и минусы применения полученного материала. Для выявления композитов с потенциально полезными сочетаниями механических и термических свойств используются показатели эксплуатационных характеристик, графики выбора и предельные значения (интервалы значений) свойств.
Самый примитивный композитный материал – это кирпичи из глины и соломы, которые применялись в строительстве еще в древнем Египте. Космические корабли служат примерами самых продвинутых композитов, выдерживающих работу в экстремальных средах. Самый распространенный композит это асфальтобетон или цемент со стальной арматурой. Также мы можем встретить его и на кухне, где из композитного материала делают столешницы, с гранитной или мраморной крошкой.
Corian – это композит, состоящий из минерального наполнителя, цветовых пигментов и связующего компонента – акриловой смолы. В качестве минерального наполнителя используют тригидрат алюминия – белый порошок, один из компонентов белой глины. Той самой, из которой делают высококачественный фарфор. Красящие пигменты – так называемые минералы пищевого качества. Например, диоксид титана, который, между прочим, служит осветлителем в составе зубной пасты.
При использовании композитов в качестве облицовочного материала металлических каркасов, необходимым условием является использование специализированных бондинговых систем Полимер/ Металл. В системе Dialog она представлена специализированным металлическим праймером и самим адгезивом При правильном применении они обеспечивают надёжное и прочное соединение. В своей практике мы не часто применяем металлокомпозитные конструкции, но иногда они незаменимы. Например, в случае облицовки замков в бюгельном протезе (рис 7) или при перекрытии металла в его седловидной части (Рис8). Композит может применяться для облицовки каркасов при протезировании на имплантах или протезировании пациентов с высокой травматичностью (например, спортсменов).
КОМПОЗИТНЫЙ КРЮК V 120 ЧЕРЕНОК Композитный черенок из углеволокна легкий вес, высокая прочность и жесткость ЛОПАСТЬ Композитная сердцевина Dura Core™ CCM®. Покрытие из однонаправленного высококачественного углеволокна придает жесткость. Отвержденное связующее TEXALIUM повышает прочность и жесткость на кручение
Велосипед Grasshopper, будет устойчив к нагрузкам благодаря использованию композитных материалов, по крайней мере так обещают. Хотя даже новые композиты с классической геометрией подвержены поломкам, да еще и каким
Библиография l l l Ashby М F 1993 Criteria for selecting the com ponents of composites. Acta Metall. Mater. 41, 1313 35 Ashby M F 1999 Materials Selection in Mecha nical Design, 2 nd edn. Butterworth Heinemann, Oxford, UK Chamis С С 1987 In: Weeton J W, Peters D M, Thomas К L (eds. ) Engineers Guide to Composite Materials. American Society for Metals, Metals Park, OH, pp. 3 8 3 24 Hull D 1981 An Introduction to Composite Materials. Cambridge University Press, Cambrid ge, UK Kelly A, Macmillan 1986 Strong Solids, 3 rd edn. Oxford University Press, Oxford, UK
Интересные факты о композитных наночастицах Учёные из Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН, Саратовского государственного университета и Московской государственной академии тонкой химической технологии разработали новый вид композитных наночастиц, которые успешно используются для доставки к тканям порфиринов. С помощью люминесценции можно контролировать распределение наночастиц в живой ткани и усилить фотодинамический эффект.
Фотодинамическая терапия (ФДП) – метод лечения, основанный на том же принципе, что и химиотерапия, но с физической «добавкой» . Есть вещества (их называют фотосенсибилизаторами), которые под действием света с определёнными длинами волн вызывают в окружающем растворе фотохимические реакции – в частности, способствуют переходу молекул кислорода в энергетически возбуждённое (синглетное) состояние. Такие возбуждённые молекулы кислорода, в свою очередь, разрушают другие оказавшиеся рядом молекулы, например органические. В результате количество свободных радикалов в таком растворе увеличивается. Когда все эти процессы происходят в живой клетке, они оказывают на неё губительное воздействие. Если вещество фотосенсибилизатор обладает избирательным сродством именно к тем клеткам, которые надо убить, например, к опухолевым, то его можно применять как лекарство. Только его действие придётся обязательно дополнять освещением поражённой ткани (сейчас для этого используют лазеры).
Рис. 1. При получении композитных частиц сначала синтезируют серебряные нанокубики размером 30– 60 нм. Далее, на их основе получают золото серебряные наноклетки, на которых создают пористую нанооболочку из двуокиси кремния толщиной от 20 до 100 нм. Затем полученные частицы химически модифицируют и стабилизируют.
Очень часто вещества фотосенсибилизаторы являются красителями. Сам принцип фотодинамической терапии открыли на рубеже XIX и XX веков немецкие исследователи, работавшие с органическим красителем акридином. Если раствор акридина облучить светом с длиной волны, попадающей в диапазон поглощения этого вещества, он убивает находящихся в растворе одноклеточных простейших организмов – инфузорий туфелек. Причём без облучения ядовитое действие красителя не проявляется. Обнаруживший этот эффект профессор фармакологического института при Мюнхенском университете Герман фон Таппейнер попытался использовать его для лечения грибковых заболеваний и опухолей кожи, и не без успеха. Сейчас ФДП применяют при лечении рака, лимфом, а также некоторых бактериальных инфекций (особенно в случаях, когда возбудители устойчивы к антибиотикам). Чаще всего так лечат именно болезни кожи, по простой причине: кожа наиболее доступна для облучения светом. Рис. 2. Так выглядят серебряные нанокубики, которые получают на первом этапе синтеза.
Применение ФДП связано Рис. 3. Золото серебряные с некоторыми техническими проблемами. Многие наноклетки, вещества, подходящие на роль фотосенсибилизаторов, являются из за своих химических особенностей гидрофобными, то покрытые плохо растворяются в воде. А ведь внутренняя среда нашего есть слоем двуокиси кремния со средней водный раствор. Чтобы действующее вещество организма – это лучше переносилось кровью и проникало в ткани, его молекулы толщиной около 40 нм. связывают с частицами носителями. Такие частицы должны быть очень мелкими, размером меньше бактерии. Другими словами, речь идёт о наночастицах. Коллектив учёных из Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН, Саратовского государственного университета и Московской государственной академии тонкой химической технологии разработал новый вид композитных наночастиц, в которых золото серебряная основа покрыта пористой силикатной оболочкой. Такие частицы имеют размер около 40 нанометров – как у мелкого вируса. Они успешно используются для доставки к тканям одного из важнейших классов фотосенсибилизирующих веществ – порфиринов. Кроме того, такие частицы люминесцируют под действием света видимой области спектра.
Скачать презентацию Композитные материалы микроструктурное проектирование 1 Принципы выбора материалов
Композитные материалы (2).ppt