Моделиро Технология вание Материалове металлов дение Информатика Функциональные

Моделиро Технология вание Материалове металлов дение Информатика Функциональные нанокомпозиционные материалы и покрытия Кристаллог рафия Физика твердого тела Химия (физическая, коллоидная, неорганическая)

Определение функционального материала. Основные понятия. Радиационная стойкость Биологическая совместимость Оптические свойства Функциональные материалы - это материалы, обладающие определенным уровнем физико-химических и механических свойств, которые в совокупности обеспечивают использование этих материалов в определенном устройстве, приборе или конструкции. Магнитные свойства Электрофизические свойства «Умные» материалы - устроены таким образом, чтобы выполнить самоконтролирумое «умное» действие, подобное действию живого организма, способного «думать» , принимать решение и совершать действие.

Определение функционального материала. Основные понятия. Композиция «compositio» – составление, связывание. Композиционный материал - материал, состоящий (составленный) из каких-либо различных частей. Армирующий элемент, наполнитель – компонент композиционного материала; составная часть композита проволочной, ленточной, нитяной, жгутовой, тканевой структуры. Матрица – составная часть композита, обеспечивающая его монолитность и совместную работу моноволокон наполнителя.

Определение функционального материала. Основные понятия. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ материал состоит из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных выраженной границей состав, форма и распределение компонентов «запроектированы заранее» материал обладает такими свойствами, которых не имеют его компоненты, взятые в отдельности материал не встречается в природе, а создан человеком Композиционный материал из графена и нитрида бора свойства материала определяются каждым из его компонентов, которые в связи с этим должны присутствовать в достаточно больших количествах

Определение функционального материала. Основные понятия. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ГЕОМЕТРИИ КОМПОНЕНТОВ

КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО РАСПОЛОЖЕНИЮ КОМПОНЕНТОВ (ПО СХЕМЕ АРМИРОВАНИЯ)

КЛАССИФИКАЦИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ВИДАМ СОЧЕТАНИЙ И РАСПОЛОЖЕНИЮ КОМПОНЕНТОВ

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ПРИРОДЕ КОМПОНЕНТОВ По природе компонентов КМ делятся на группы по: по природе матрицы и по природе армирующего компонента. Каждая группа, в свою очередь, делится на четыре подгруппы, имеющие компоненты из: – металлов и сплавов; – неметаллических материалов (например, углерода); – неорганических соединений (окислов, карбидов, нитридов и т. п. ); – органических соединений.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Волокно Матрица 2 Матрица 1 в полиматричном материале имеется два типа матриц Матрица Волокно 2 Волокно 1 в полиармированном материале имеется два типа волокна

КЛАССИФИКАЦИЯ КМ ПО МАТЕРИАЛУ МАТРИЦЫ с металлической матрицей называют металлическими композиционными материалами (МКМ), с полимерной матрицей – полимерными композиционными материалами (ПКМ), с неорганической – неорганическими композиционными материалами. КМ, содержащие два и более различных по составу матричных материала, называют полиматричными.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ГЕОМЕТРИИ АРМИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ КМ делятся на: порошковые (гранулированные), волокнистые пластинчатые.

Классификация композиционных материалов по конструкционному признаку: хаотично-, одномерно- и пространственно армированные КМ Равноосные частицы Короткие волокна Однонаправленные непрерывные волокна Однонаправленные короткие волокна Два семейства непрерывных нитей Три семейства непрерывных нитей Ткани Упорядоченно армированные КМ Непрерывные волокна n семейств нитей

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО МЕТОДАМ ПОЛУЧЕНИЯ В соответствии с этой классификацией КМ делятся на: 1. материалы, полученные жидкофазными методом 2. твердофазными методам 3. методами осаждения – напыления, 4. комбинированными методами.

КЛАССИФИКАЦИЯ КМ ПО НАЗНАЧЕНИЮ (ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ ПРИНЦИП) КМ выделяют: 1. материалы общеконструкционного назначения (несущие конструкции судов, самолетов, автомобилей и др. ), 2. жаропрочные материалы (лопатки турбин самолетов, камеры сгорания), термостойкие материалы (изделия, работающие в условиях частых теплосмен), фрикционные материалы (тормозные колодки), 3. антифрикционные материалы (подшипники скольжения), 4. ударопрочные материалы (броня самолетов, танков), теплозащитные материалы, 5. материалы со специальными электрическими и т. п. ). свойствами (магнитными,

Определение функционального материала. Основные понятия. Композиционный наноматериал (нанокомпозит) – многокомпонентный гетерогенный материал, имеющий границу раздела фаз, одну или несколько непрерывных фаз и обладающий новым сочетанием свойств, состоящий из матрицы и армирующего элемента, имеющего наноразмеры. Приставка "нано" (от греческого nannos - карлик) означает одну миллиардную долю метра - 1 нанометр (нм) = 10 -9 м. К объектам нанотехнологии относятся материалы с размерами зерен от долей нанометра до 100 нм. Верхний предел этого интервала - до 100 нм условен, а нижний определяется близостью к размерам атомов или молекул.

Типы нанокомпозитов • Дисперсноармированные или дисперсноупрочненные с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц • Слоистые - армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями • Волокнистые - армированы нановолокнами, нанотрубками, нитевидными кристаллами

Основные понятия механики композиционных материалов Модуль упругости, характеризующий жесткость материала в условиях действия нормальных напряжений, носит название модуля Юнга (модуля нормальной упругости) E: где – растягивающее (сжимающее) напряжение; – относительное удлинение (сжатие). Жесткость материала в условиях действия сдвигающих напряжений характеризуется модулем Гука (модулем сдвига) G: где – касательное напряжение; – сдвиговая деформация. Связь между напряжениями, действующими на тело и упругими деформациями, возникающими в нем, устанавливает закон Гука.

Основные понятия механики композиционных материалов Кроме одноосного растяжения или сжатия возможны такие схемы приложения сил, в результате которых изотропное тело будет находиться в плоском и в объемно напряженном состоянии. В общем случае для изотропного материала закон Гука, устанавливающий связь между напряжениями и деформациями, имеет форму:

Основные понятия механики композиционных материалов Для описания упругого поведения анизотропных тел с высокой степенью симметрии может быть использована техническая форма записи закона Гука. Так, например, для ортотропного материала закон Гука в технической форме имеет вид: где – Е модули нормальной упругости в направлении оси, указанной в индексе; G – модули сдвига по плоскостям, указанным в индексах; – коэффициенты Пуассона в направлении первой из осей, указанных в индексе, при действии нормальных напряжений в направлении второй оси.

Основные понятия механики композиционных материалов Схематическое изображение структуры однонаправленного материала: темные области – волокна, белые – матрица

Основные понятия механики композиционных материалов Если анализируемую пластину нагрузить в продольном направлении, т. е. вдоль оси х, силой Рх, то совместность деформаций волокон и элементов матрицы позволяет записать где хк, хм, хв – значения относительной деформации композита, матрицы и волокна в направлении оси х. Общая сила Рх, действующая на пластину, может быть представлена как сумма сил Рхм, действующих на матрицу, и сил Рхв, действующих на волокно, Выразим значения сил Р, из уравнений, связывающих их с механическими напряжениями , где F – площадь поперечного сечения элемента, растягиваемого силой Р.

Основные понятия механики композиционных материалов где хм, хв, хк – растягивающие напряжения в матрице, волокне и в композиции соответственно в направлении оси x; Fм, Fв, Fк – поперечные сечения матрицы, волокна и композиции соответственно. Учитывая, что Fм/Fк представляет собой объемную долю матрицы Vм в анализируемом композите, Fв/Fк – объемную долю волокна Vв, а Vв + Vм = 1, уравнение может быть записано в следующем виде:

Основные понятия механики композиционных материалов В соответствии с законом Гука можно записать где Ехм, Ехв, Ехк – модули Юнга матрицы, волокна и композиции в направлении оси х. В связи с изотропностью модулей Юнга волокна и матрицы индекс направления х у соответствующих характеристик этих материалов может быть опущен.

Основные понятия механики композиционных материалов Модуль нормальной упругости однонаправленного композиционного материала в направлении, перпендикулярном оси армирования Схематическое изображение структуры однонаправленного материала: темные области – волокна, белые – матрица

Основные понятия механики композиционных материалов Нормальное напряжение , возникающее в анализируемом объекте, представляет собой отношение силы Рy к площади объекта F в сечении, перпендикулярном оси y. Абсолютная деформация композиции в направлении оси у ук будет равна сумме абсолютных деформаций волокон и элементов матрицы: Поскольку = l , где l – длина, а – относительная деформация деформируемого элемента. В результате этого получим зависимость где ук, ув, ум – относительные деформации соответственно композиции, волокна и матрицы в направлении оси у; lук, lум, lув – соответственно длина анализируемого элемента КМ, суммарная длина волокон и элементов матрицы в направлении оси у.

Основные понятия механики композиционных материалов С учетом того что lув/lук, и lум/lук фактически представляют собой объемные доли волокон и матрицы Vв и Vм в анализируемом монослое, уравнение приобретает вид Подставим в уравнение соответствующие значения относительной деформации в соответствии с законом Гука С учетом зависимости, позволяющей сократить в обеих частях все значения напряжений, уравнение, описывающее модуль нормальной упругости однонаправленного композита в направлении, перпендикулярном оси упрочняющих элементов, может быть записано в виде

Основные понятия механики композиционных материалов Предел прочности однонаправленно армированных композиционных материалов Участок I соответствует упругому поведению как волокна, так и матрицы. На участке II волокно продолжает деформироваться упруго, а матрица ведет себя упругопластически. В пределах участка III и волокно и матрица деформируются пластически. Диаграмма растяжения волокон (1), матрицы (3) и однонаправленного композиционного материала (2)

Основные понятия механики композиционных материалов Предел прочности анализируемого в данном разделе материала может быть записан в следующем виде: где ( в)в –предел прочности волокон при растяжении; ’м – уровень напряжения в матрице, достигаемый в момент разрушения волокон в композиции. Для пластичных слабо упрочняющихся матриц величину ’м принимают равной пределу прочности материала матрицы.

Основные понятия механики композиционных материалов Прочностные свойства композитов, армированных дискретными волокнами Вытягивание волокон без их разрушения возможно лишь в том случае, если их длина l меньше критической длины lкр. При l > lкр под действием растягивающей силы происходит разрушение волокон. Таким образом, критической длиной волокна lкр называют такую длину, при которой оно разрушается в композиционном материале. где – касательные напряжения на границе раздела между волокном и матрицей; в – нормальные растягивающие напряжения в волокне; l – длина волокна; dв – диаметр волокна. Критическая длина волокна рассчитывается по формуле где гр – сдвиговая прочность границы раздела между волокном и матрицей; ( в)в – предел прочности волокон.

Основные понятия механики композиционных материалов Прочностные свойства композиционных материалов, армированных дискретными волокнами, зависят от длины волокон. При l < lкр уравнение аддитивности имеет вид Предел прочности композиционных материалов, содержащих дискретные волокна длиной, превышающей критическую (l > lкр), описывается зависимостью где k – коэффициент (k < 1). С увеличением соотношения l/lкр прочность композиционного материала возрастает. В том случае если длина волокна в 10 раз больше критической, предел прочности композита с дискретными волокнами лишь на 5 % меньше предела прочности материала, армированного непрерывными волокнами.

Основные понятия механики композиционных материалов Влияние объемной доли волокон на прочностные свойства композиционных материалов Схемы упаковки однонаправленных волокон при непосредственном их контакте (а, б, в) и упаковки с прослойками матрицы (г, д)

Основные понятия механики композиционных материалов При наличии прослойки минимальной толщины min объемная доля волокна в композите с тетрагональной упаковкой составляет с гексагональной упаковкой

Основные понятия механики композиционных материалов Предел прочности композиционного материала в области малых значений объемной доли волокна описывается зависимостью Если Vв < Vmin, то в этом случае в результате разрушения волокна разрушения всего композиционного материала не происходит (зона I). Минимальной объемной долей волокна Vmin называется такое значение объемной доли, которому соответствует наиболее низкий уровень предела прочности композиционного материала. При Vв > Vmin наблюдается восходящий участок зависимости ( в)к – Vв

Основные понятия механики композиционных материалов На практике имеет смысл применять такие композиты, у которых Vв > Vкр. Для количественного определения значения Vкр необходимо правую часть уравнения приравнять значению предела прочности неармированной матрицы Решение уравнения относительно величины Vкр дает

Основные понятия механики композиционных материалов Зависимость прочности композиционных материалов c хрупкой матрицей и пластичными волокнами от объемной доли волокон

Основные понятия механики композиционных материалов Прочность композиционных материалов при сжатии Двухмерная модель сжатия гетерофазного слоистого материала: а – симметричное и б – асимметричное выпучивание волокон

Основные понятия механики композиционных материалов Сжимающее напряжение, соответствующее потере устойчивости волокон при симметричном выпучивании волокон, определяется зависимостью а при асимметричном выпучивании Критическая деформация композиционного материала кр, соответствующая его разрушению по схеме симметричного выпучивания волокон, в первом приближении может быть рассчитана по формуле При реализации механизма асимметричного выпучивания

Основные понятия механики композиционных материалов Особенности разрушения композиционных материалов а – открытое отслоение при растяжении; б – эллипсоидальное отслоение при растяжении; в – отслоение в условиях цилиндрического изгиба; г – эллипсоидальное отслоение при сжатии; д – кромочное отслоение; е – кромочное отслоение со вторичной трещиной

Основные понятия механики композиционных материалов Виды рассеянных повреждений однонапрвленного волокнистого композита а – единичные разрывы волокон: б – разрушение границы матрица-волокно

Основные понятия механики композиционных материалов Типы разрушения слоистых композитов а б в а – щеткообразное, б – продольное и в – межслойное растрескивание

Основные понятия механики композиционных материалов Схематическое изображение трещины в композиционном материале, распространяющейся перпендикулярно к волокнам

Основные понятия механики композиционных материалов Зависимость работы разрушения композиционного материала Wвв по механизму вытягивания волокна от длины волокна l

Основные понятия механики композиционных материалов Наиболее высокий уровень затрат энергии Wmax, связанной с вытягиванием волокон из матрицы, имеет место в том случае, если длина дискретных волокон равна критической длине (l = lкр): В том случае если композиционный материал состоит из хрупкой матрицы и пластичного волокна, для расчета критического значения коэффициента интенсивности напряжений может быть использована зависимость следующего вида где Ек и к – модуль Юнга и коэффициент Пуассона композиционного материала; и ( в)в – модуль Юнга и предел прочности волокна; – прочность на сдвиг границы раздела между матрицей и волокном; м – поверхностная энергия матрицы.