Дипломная работа: Разработка композита на основе более дешевых компонентов и технологической схемы его производства
Дисперсно-упрочненные КМ представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью не растворяющихся в ней частиц второй фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации. Вязкий нехрупкий материал перед разрушением претерпевает значительную деформацию. Причем пластические деформации в реальных кристаллических материалах начинаются при напряжениях, которые меньше, чем теоретически рассчитанные для идеальных материалов примерно в 1000 раз. Такая низкая прочность по сравнению с теоретической объясняется тем, что в пластической деформации активно участвуют дислокации – локальные искажения кристаллической решетки. При деформации благодаря дислокациям сдвиг атомов в соседнее положение происходит не одновременно по всей поверхности скольжения, а растягивается во времени. Такое постепенное скольжение за счет небольших смещений атомов в области дислокаций не требует значительных напряжений, что и проявляется при испытаниях пластичных материалов. Упрочнение таких материалов заключается в создании в них структуры, затрудняющей движение дислокаций. Проблема повышения конструкционной прочности состоит не только в повышении прочностных свойств, но и в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, то есть повысить надежность материала. В дисперсно-упрочненных КМ заданные прочность и надежность достигаются путем формировании определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объёме материала или с подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения. Упрочнение дисперсными частицами позволяет достигать предела текучести уT=10-2G , где G – модуль сдвига. При нагреве до Т= (0,6–0,7)*Тпл прочность резко снижается. При нагреве до Т= (0,6–0,7)*Тпл прочность резко снижается. [2]
Армирование полимеров волокнамипозволяет получать высокопрочные полимерные композиты. Все виды применяемых для этих целей волокон дефицитны и дороги, однако возможно и экономически целесообразно комбинировать волокна с дисперсными наполнителями для получения оптимума свойств и минимальной стоимости материала.
Обычно используется два типа наполнителей для термопластов – волокнистые и порошковые. Наполнение термопластов минеральными порошками экономически очень выгодно. Наиболее распространенными волокнистыми наполнителями являются стеклянные и асбестовые волокна, а порошковыми – тальк, древесная мука. При этом наполнитель образует дисперсную фазу в термореактивной полимерной матрице. Основная цель введения в термопласты порошковых наполнителей – увеличение жесткости и стойкости полимера к длительным нагрузкам.
Так, введение талька в полипропилен увеличивает модуль упругости при растяжении. Однако при наполнении тальком полипропилена прочность при растяжении не улучшается, а ударная прочность даже снижается. Поэтому очевидно, что термопласты, наполненные минеральным порошком, следует применять весьма ограниченно для производства изделий, от которых требуется жесткость и твердость, и которые воспринимают длительные нагрузки, а для изделий, подвергающихся действию ударных нагрузок, они и вовсе не пригодны. Введение 40% талька в полипропилен приводит к тому, что его свойства становятся близкими к свойствам (в первую очередь, жесткости и ударной вязкости) ударопрочного полистирола.
Поэтому наполненный тальком полипропилен применяется для производства разнообразных предметов широкого потребления и деталей мебели. Более широкое применение для производства изделий такого типа объясняется, прежде всего, его низкой стоимостью по сравнению с другими материалами аналогичной жесткости. Однако изменения цен на материалы, происходящие, главным образом, из-за сложившейся в мире ситуации с сырьем, могут привести к тому, что термопласты, наполненные минеральными порошками, в частности ПП, наполненный тальком, найдут более широкое применение для производства изделий такого типа. [2]
1.1.5 Основные свойства конструкционных материалов
Структурной основой полимерных молекул является гибкая линейная цепь, образованная из n звеньев длинной l0 . Каждое из них связано с предыдущем звеном так, чтобы обеспечивалось полное свободное вращение. Это позволяет принимать каждому звену любые направления относительно предыдущего, поэтому такая цепь может принимать очень большое число конформаций. Полимеры могут быть разделены на две группы: полностью аморфные и кристаллические. Некоторые полимеры полностью аморфны при любых условиях; кристаллические полимеры, могут быть аморфны при определенных условиях (выше точки плавления или если полимер быстро охлажден из расплавленного состояния). [3]
К числу основных свойств полимеров и композитов на их основе относят текучесть, прочность и упругость.
Текучесть полимеров. Текучестьхарактеризует способность полимеров к вязкому течению при воздействии внешних усилий и численно равна обратной величине вязкости 1/n (где n-вязкость). О текучести полимерных материалов судят по показателю текучести расплава. За показатель текучести расплава принимается масса полимера, выдавленная в течение 10 мин. через формующую головку под давлением и при заданной температуре. Показатель текучести расплава i (в г/10 мин.) рассчитывают по формуле:
i=10Q/t,
где Q– масса полимера, г; t – время выдавливания, мин. Показатель текучести расплава является сравнительной характеристикой, однако, он широко используется на практике. По значению показателя текучести расплава проводится выбор метода переработки полимера. Для переработки методом экструзии показатель текучести расплава равен 0,3–1,2 г/10 мин (низковязкий полимер).
Прочность – способность материаласопротивляться в определенных пределах разрушению и остаточным деформациям от механических воздействий. Прочность твердых тел определяется строением вещества.
Упругость – свойство тел изменять свой объем и форму под влиянием физического воздействия.
Механические свойства высокопрочных материалов определяются наличием поверхностных дефектов (надрезов, трещин и т.п.). Около вершин этих дефектов при нагружении концентрируются напряжения, которые зависят от приложенного усилия, глубины трещины и радиуса кривизны в вершине трещины.
Для хрупких материалов коэффициент концентрации напряжений равен 102 –103 . В этом случае при действии даже небольших напряжений у вершины трещины растягивающие напряжения достигают предельных значений, и материал разрушается. Существует критическая длина трещины, при которой проявляется тенденция к её неограниченному росту, приводящая к разрушению материала.
Важно, что соответствующее критическое напряжение зависит от абсолютного размера трещины и оно тем выше, чем меньше длина трещины. Изделие с высокой прочностью может быть получено путем объединения параллельных волокон в канат. Напряжения между отдельными волокнами создаются вследствие трения скольжения, возникающего при растяжении каната. В процессе эксплуатации волокна в канате изгибаются, трутся и их прочность падает.
Например, высокопрочные волокна (стеклянные, углеродные, борные) очень чувствительны к поверхностным напряжениям и их нельзя применять в канатах, не использовав среду, которая связала бы их воедино. Когда применяются короткие волокна, которые объединяются связующим, то сохраняется принцип волокнистого армирования.
Этот принцип состоит в том, что при нагружении КМ на границе раздела матрицы с волокном возникают касательные напряжения, которые вызывают полное нагружение волокон.
В КМ сочетаются два противоположных свойства: высокий предел прочности и достаточная вязкость разрушения. Высокая прочность достигается за счет использования хрупких высокопрочных волокон, а достаточная вязкость разрушения обусловлена пластической матрицей и специфическим механизмом рассеивания энергии разрушения КМ. Кроме того, в традиционных сплавах удельная жесткость (E/d) практически одинакова, а в КМ она увеличивается на 100–200%. Это позволяет существенно снизить массу конструкций. [3]
Релаксационные свойства первичного и вторичного полимера.
Известно, что проведение изменений релаксации напряжений при различных температурах позволяет наиболее полно охарактеризовать механическое поведение полимерных материалов.
Для детальной оценки проведены испытания на релаксацию напряжений в широком интервале температур (для ПМ 20–120°С). Исследовали первичный и вторичный ПМ (из упаковочного материала) проводилась на приборе Регель – Дубова.
Процесс релаксации напряжения происходит в результате взаимодействия и диффузии кинетических единиц – релаксаторов. Релаксаторами могут быть различные атомные группы, повторяющиеся звенья, более крупные фрагменты, микрополости, концентраторы напряжения.
Полимерный материал можно рассматривать как состоящий из релаксаторов и нерелаксаторов, причем подавляющая часть материала после «мгновенного» задания деформации состоит из релаксаторов, взаимодействующих между собой с образованием нерелаксирующего материала.
Наиболее важными характеристиками в смысле работоспособности КП являются изменение сдвига у0 или начальный модуль Е0 , которые развиваются после окончания «мгновенного» задания деформации, а также квазиравновесное напряжение у∞ или модульE∞ .
Сравнивая поведение первичного и вторичного ПП, можно отметить, что у0 и у∞ для вторичного ПП при всех температурах примерно в 2 раза выше, чем для первичного. Таким образом, вторичный ПП является более жестким, чем первичный. Практически это означает, что вторичный ПП может не только успешно использоваться для изготовления различных материалов, но и для изготовления более жестких конструкций, выдерживающих существенные напряжения, не разрушаясь, длительное время. [4]
1.1.6 Классификация методов переработки полимеров в композиты
В настоящее время изделия из пластических масс производят весьма разнообразными методами. При этом выбор метода изготовления изделий обусловлен видом полимера, его исходным состоянием, а также конфигурацией и габаритами изделия.
Изделия из расплавов или растворов термопластичных полимеров изготавливают экструзией (непрерывное выдавливание расплава), литье под давлением (заполнение расплавом полости формы), выдуванием (для пустотелых изделий), спеканием, напылением и т.д.