Создание и применение композиционных материалов в быту и строительстве

Теплоемкость твердых тел не зависит от температуры. Однако опыты показывают, что на самом деле теплоемкость твердых тел уменьшается с понижением температуры и стремится к нулю при приближении температуры к абсолютному нулю. Здесь на помощь приходит квантовая теория теплоемкости А. Эйнштейна.

Согласно этой теории, атомы, находящиеся  в узлах кристаллической решетки, колеблются независимо друг от друга  с одинаковой частотой, равной примерно 10¹³ Гц. Энергия колеблющегося атома излучается порциями. Эта теория была уточнена П. Дебаем. А. Эйнштейн считал, что атомы в узлах кристаллической решетки колеблются независимо друг от друга и частота их колебаний одинакова.

Твердые тела обладают теплопроводностью. Теплопроводностью называют перенос  тепла от одного тела к другому  или от одной части тела к другой. Это явление возникает, если тела, приведенные в контакт, или различные части одного и того же тела имеют неодинаковую температуру. Процесс теплопроводности сводится к выравниванию температур различных частей тела. При этом некоторое количество теплоты передается от более нагретой части тела к менее нагретой.

Каждое вещество характеризуется  своим коэффициентом теплопроводности, поэтому очевидно, что его величина зависит от внутреннего строения вещества. Теплопроводность металлов носит в основном электронный характер, следовательно, чем больше электронов учувствует в переносе тепла, тем больше коэффициент теплопроводности; чем больше эти электроны движутся, тем большее количество теплоты может быть перенесено за единицу времени; чем дольше электроны могут двигаться без столкновений, тем коэффициент теплопроводности больше. Он также зависит от удельной теплоемкости вещества твердого тела.

Развитие теории строения твердого тела внесло существенные коррективы в учение о механических свойствах  металлов и способствовало дальнейшему и более эффективному развитию этого учения [1, c.50].

Твердые тела обладают механическими  свойствами. При механической обработке  материалов изменяется форма или  объем тел, т.е. тела деформируются.

Деформации, исчезающие в теле после прекращения действия сил, называют упругими деформациями. Свойство материала, состоящее в том, что тела, изготовленные из него, под действием внешних сил деформируются, а после снятия этого действия восстанавливают свою форму и объем, называют упругостью.

Деформации, остающиеся в теле после  прекращения воздействия на него других тел, называют остаточными деформациями. Остаточная деформация характеризует  свойство материала, называемое пластичностью. Упругость и пластичность присущи  всем твердым телам.

Различают следующие виды упругих  деформаций, возникающих в телах: растяжение (сжатие), сдвиг, кручение изгиб.

Растяжение испытывают в процессе эксплуатации канаты, цепи в подъемных  устройствах и др.

Сжатию подвергаются фундаменты домов, колонны, стены и др.

Деформация сдвига возникает в  начальной стадии процесса резания  на строгальном станке.

Деформации кручения подвергаются валы машин, оси и др.

Изгиб происходит при действии на один конец стержня других тел, когда  второй

конец стержня закреплен.

Только часть механических свойств  можно более или менее объяснить, исходя из модели идеального кристалла. Поэтому была выдвинута гипотеза о том, что причина расхождения  теоретических расчетов и экспериментальных  результатов заключается в несовершенстве кристаллической решетки [1, c.56].

Таким образом, некоторые механические свойства материалов не связаны со структурными несовершенствами. Эти  свойства иначе называют структурно-нечувствительными  свойствами. Те же механические свойства, которые тесно связаны со структурными несовершенствами кристаллов, или, как говорят, с дефектами кристаллов, называют структурно-чувствительными свойствами.

Твердые тела могут обладать точечными  дефектами. Точечные дефекты – нарушение  кристаллической решетки в изолированных  друг от друга точках.

В результате теплового движения томов  и их взаимодействия возможны отклонения энергии отдельных атомов от среднего значения, при котором атом удерживается в узле кристаллической решетки. Дефекты также могут появиться  в процессе роста кристалла. Экспериментально подтверждает наличие точечных дефектов в кристаллах явление диффузии в твердых телах. На самом деле, в кристалле без дефектов никакой диффузии не могло бы быть. Если атомы колеблются около узлов кристаллической решетки и не «покидают» эти положения, то не может быть проникновения атомов одного кристалла в другой.

Различают два вида дефектов (дислокаций): краевую и винтовую. Дислокации могут  перемещаться в кристаллической  решетке. При краевой дислокации (рис.4) происходит искажение кристаллической структуры. Это вызвано тем, что в части объема кристалла в процессе его роста возникла лишняя атомная «полуплоскость». При винтовой дислокации происходит искажение пространственной решетки. Атомные ряды изгибаются и меняют              рис.4

своих соседей. Эти дислокации происходят при росте кристалла.

Знания о строении вещества позволяет  влиять на свойства вещества и создавать  материалы с определенными свойствами. Создание материалов с заданными  свойствами, потребность в которых  постоянно растет, - одно из основных направлений научно-технического прогресса.

Наиболее важной считается задача повышения прочности материалов. Как известно, прочность повышается как при уменьшении числа дефектов, так и при их увеличении. Можно сделать вывод о том, что она максимальна у идеального кристалла. Поэтому одна из возможностей повышения прочности - выращивание бездефектных кристаллов, кристаллов максимально близких к идеальному. Такие кристаллы выращивают в лабораториях. Они имеют нитевидную форму и их прочность практически равна теоретической. Так, кристаллы железа, полученные в лаборатории, имеют прочность 14×10⁷ Па, в то время как прочность обычного чистого железа - 2×10⁷ Па.

С другой стороны прочность растет с увеличением числа дефектов. Это связано с тем, что дефекты тормозят перемещение дислокаций. Поэтому для повышения прочности необходимо увеличить концентрацию дефектов. С этой целью материал можно подвергнуть пластической деформации. Этот способ повышения прочности называют наклепом. Примерами наклепа являются ковка, прокатка, волочение и т.п. Опыт показывает, что при наклепке прочность возрастает в десятки раз.

Повышению прочности материалов способствует введение в них примесей, которые  препятствуют распространению дислокаций. Такими примесями могут быть атомы углерода, кремния, бора, азота. Поэтому широкое распространение в технике получают сплавы, которые имеют большую прочность по сравнению с чистыми металлами, например, различные стали (сплавы железа, углерода и других элементов), латунь (сплав меди и цинка), сплавы алюминия или магния с медью и другими элементами.

Помимо высокой прочности, сплавы обладают и другими свойствами, отличающими  их от чистых металлов. Например, некоторые  из них более термостойки, чем  составляющие их металлы, другие наоборот плавятся при более низкой температуре. Так, олово плавится при 232 ⁰С, свинец - при 327 ⁰С; сплав олова со свинцом - при 170 ⁰С; сплав карбида тантала с гафнием имеет наивысшую из известных температуру плавления - 4215 ⁰С.

Есть сплавы, обладающие очень высокой твердостью, существуют упругие сплавы, сплавы, соединяющие легкость и прочность (дюрали), сплавы, не подверженные окислению (нержавеющие стали), сплавы с большим электрическим сопротивлением (нихром), сплавы со специальными магнитными свойствами, сплавы, имеющие малый температурный коэффициент линейного расширения (инвар) и др.

Причина, по которой сплав приобретает  свойства, отличные от свойств его  компонентов, заключается в том, что в расплавленном состоянии  происходит активное перемещение частиц, поскольку они обладают высокой энергией теплового движения. Поэтому при кристаллизации образуется материал (сплав) с иным строением и с иными свойствами.

Знание строения вещества и умение изменять его и управлять свойствами материалов крайне важно для дальнейшего научно-технического прогресса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§2 Что такое композиционные материалы

Прорыв в новые области знаний, технологий, создание изделий с требуемыми свойствами, резкое улучшение экономических  показателей, обретение технико-экономической независимости вследствие отказа от использования традиционно приемлемых материалов - все это возможно только благодаря современным материалам - новым композиционным материалам.

Композиционные материалы (КМ, композиты) - многокомпонентные материалы (рис.5), состоящие из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах приводит к появлению качественно новых механических свойств материала.

Сочетание разнородных веществ  приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и  качественно отличаются от свойств 

             рис.5                             каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

То, что малые добавки волокна  значительно увеличивают прочность  и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена  египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце.

Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.

Другой композит, известный еще  в Древнем Египте, содержал намного  больший процент волокон, чем  египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или  папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в XVIII веке (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины XX века. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.

А вот другой пример. Первые композиционные материалы на основе полимеров — битумную смолу, наполненную тростником,— использовали для строительных целей в Древнем Вавилоне более 5000 лет назад. Известно, что в Египте и в государствах Месопотамии в третьем тысячелетии до н.э. из этого же материала строили речные суда. Если внимательно проанализировать искусство мумифицирования, распространенное в Древнем Египте, то в основе его также можно найти способ получения композитов. В самом деле, тело после соответствующей обработки обматывали лентой из ткани и пропитывали природной смолой с образованием жесткого кокона.

Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные  из распространенного в наши дни  композиционного материала - древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), выдерживающие большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 году до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4-6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы - металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы - полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители  и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита (рис.6), пропитанные эпоксидными клеями), фанера. Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.                                        рис.6

В последнее время материаловеды  экспериментируют с целью создать  более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр. [2, c.135].

По структуре композиты делятся  на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные  частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами - кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены  слоями, как, например, в особо прочном  стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

Микроструктура остальных классов  композиционных материалов характеризуется  тем, что матрицу наполняют частицами  армирующего вещества, а различаются  они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему), тогда как дисперсно-упрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов - нового класса композиционных материалов - еще меньше и составляют 10-100 нм.