Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Активирование процессов взаимодействия компонентов композита на границе раздела фаз

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение

Высшего Профессионального Образования

Волгоградскоий государственный архитектурно-строительный университет

Волжский институт строительства и технологий (филиал)

Кафедра “Технология обработки и производства материалов”

Курсовая работа

по дисциплине «Материаловедение и технология композиционных материалов»

Тема: «Активирование процессов взаимодействия компонентов композита

на границе раздела фаз»

Выполнил: студент группы ПМКМП 2- 09

_________________________

Проверил: к.т.н., доцент Пушкарская О.Ю.

____________________ “____” 20 г.

Волжский 2012

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3

1.1Общая характеристика композиционного материала……………………4

1.2Структура и свойства композиционного материала …………………….4

1.3Связующие композиции……………………………………………………5

2.Формирование межфазного слоя на границе раздела фаз…………………6

3.Технологические приемы изготовления композиционного материала ….7

4.Области использования композиционного материала………………… .13

5.Заключение………………………………………………………………….15

6.Список литературы…………………………………………………………16

Введение

Стеклопластик - композиционный материал, состоящий из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов (роввингов), тканей, матов, рубленых волокон; связующим - полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др. Для стеклопластика характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости.

1. Композиционный материал

1.1 Для стеклопластика характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости.

Механические свойства стеклопластика определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температуры переработки и эксплуатации - связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают стеклопластики, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластики подразделяются на однонаправленные и перекрёстные; у первых волокна расположены взаимно параллельно, у вторых - под заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.

1.2 Стеклопластик обладает многими очень ценными свойствами, дающими ему право называться одним из материалов будущего. Ниже перечислены некоторые из них.

Малый вес. Удельный вес стеклопластиков колеблется от 0,4 до 1,8 и в среднем составляет 1,1 г/см3. Напомним, что удельный вес металлов значительно выше, например, стали – 7,8, а меди - 8,9 г/см3. Даже удельный вес одного из наиболее легкого сплава, применяемого в технике, - дуралюмина составляет 2,8 г/см3. Таким образом, удельный вес стеклопластика в среднем в пять-шесть раз меньше, чем у черных и цветных металлов, и в два раза меньше, чем у дуралюмина. Это делает стеклопластик особенно удобным для применения на транспорте. Экономия в весе на транспорте переходит в экономию энергии; кроме того, за счет уменьшения веса транспортных конструкций (самолетов, автомобилей, судов и т.п.) можно повысить их полезную нагрузку и за счет экономии топлива увеличить радиус действия.

Диэлектрические свойства. Стеклопластики являются прекрасными электроизоляционными материалам при использовании как переменного, так и постоянного тока.

Высокая коррозионная стойкость. Стеклопластики как диэлектрики совершенно не подвергаются электрохимической коррозии. Существует целый ряд смол (некоторые полиэфирные смолы, смолы Norpol DION), позволяющие получить стеклопластики стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей.

Хороший внешний вид. Стеклопластики при изготовлении хорошо окрашиваются в любой цвет и при использовании стойких красителей могут сохранять его неограниченно долго. Прозрачность. На основе некоторых марок светопрозрачных смол можно изготовить стеклопластики, по оптическим свойствам немногим уступающим стеклу.

Высокие механические свойства. При своем небольшом удельном весе стеклопластик обладает высокими физико-механическими характеристиками. Используя некоторые смолы, например Norpol Dion, и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластик, по своим прочностным свойствам превосходящий некоторые сплавы цветных металлов и стали.

Теплоизоляционные свойства. Стеклопластик относится к материалам с низкой теплопроводностью. Кроме того, можно значительно повысить теплоизоляционные свойства путем изготовления стеклопластиковой конструкции типа “сэндвич”, используя между слоями стеклопластика пористые материалы, например пенопласт. Благодаря своей низкой теплопроводности, стеклопластиковые сэндвичевые конструкции с успехом применяются в качестве теплоизоляционных материалов в промышленном строительстве, в судостроении, в вагоностроении и т.д.

Простота в изготовлении. Существует много способов изготовления стеклопластиковых изделий, большинство из которых требует минимальных вложений в оборудование. Например, для ручного формования потребуются только матрица и небольшой набор ручных инструментов (прикаточные валики, кисти, мерные сосуды и т.д.). Матрица может быть изготовлена практически из любого материала, начиная с дерева и заканчивая металлом. В настоящие время широкое распространение получили стеклопластиковые матрицы, которые имеют сравнительно небольшую стоимость и длительный срок службы.

1.3 Большей изотропией механических свойств обладают стеклопластики с неориентированным расположением волокон: материалы на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыления одновременно со связующим, и на основе холстов (матов). Диэлектрическая проницаемость стеклопластиков 4-14, тангенс угла диэлектрических потерь 0,01-0,05.

Изделия из стеклопластика с ориентированным расположением волокон изготавливают методами намотки, послойной выкладки или протяжки с последующим автоклавным, вакуумным или контактным формованием либо прессованием, из пресс-материалов - прессованием и литьём.

2. Формирование межфазного слоя на границе раздела фаз.

Формирование межфазного слоя происходит в течение определенного времени, причем длительность процесса зависит от вязкости связующего, его молекулярной массы, физико-химических свойств, скорости его отверждения, размеров и структуры пор в волокне и, наконец, свойств аппрета. На рис. показана модель межфазного слоя в армированном полимере, где dт - толщина поверхностного слоя волокна с измененной структурой. Для производства армированных пластиков с заданными свойствами необходимо целенаправленно регулировать структуру и объем граничного слоя путем правильного выбора аппрета для армирующего волокна с учетом свойств связующего.

Рис. Модельное представление о межфазном слое в системе полимер - твердое тело

Поскольку аппрет напрямую участвует в формировании межфазного слоя, считают, что в состав композита входят связующее, наполнитель и аппрет.

Аппреты должны обладать способностью:

-    хорошо смачивать наполнитель;
-     проникать в наполнитель и заполнять дефекты на его поверхности;
-     создавать на поверхности армирующих волокон слой, совместимый с полимерным связующим;
-     снижать величину остаточного напряжения в промежуточном слое, возникающего вследствие усадочных явлений в процессе отверждения связующего;
-     перераспределять напряжения в матрице и переносить их на волокна при механическом воздействии на композиционный материал.

Силановые аппреты применяются в виде спиртовых, водных и спиртово-водных растворов.

Совершенно иные приемы используются для обработки угольных или органических волокон с целью получения композитов с заданными свойствами.

Аппретирование углеродных волокон в том смысле, как это делается со стеклянными наполнителями, неприемлемо, поскольку и природа, и структура угольных волокон совершенно иные.

3. Технологические приемы изготовления композиционного материала

Стеклопластик получают путем горячего прессования стекловолокна, перемешанного с синтетическими смолами. В стеклопластиках стекловолокно играет роль армирующего материала, придающего изделиям высокую механическую прочность при малой плотности.

В настоящее время существует целый ряд различных смол, используемых в производстве стеклопластиковых изделий. Наибольшее распространение получили полиэфирные, винилэфирные и эпоксидные смолы. В зависимости от метода формования, химсостава и области применения все смолы можно разделить на следующие группы:

а) по методу формования:

для ручного формования

для вакуумной инжекции

для горячего прессования

для процессов намотки

для пультрузии

б) по области применения:

обычные конструкционные

химстойкие

огнестойкие

теплостойкие

светопрозрачные

Основные методы изготовления стеклопластиковых изделий

Ручное (контактное) формование

При этом методе стеклоармирующий материал вручную пропитывается смолой при помощи кисти или валиков. Затем пропитанный стекломат укладывается в форму, где он прикатывается прикаточными валиками. Прикатка осуществляется с целью удаления из ламината воздушных включений и равномерного распределения смолы по всему объему. Отверждение ламината происходит при обычной комнатной температуре, после чего изделие извлекается из формы и подвергается мехобработке (обрезка облоя, высверливание отверстий и т.д.)

Применяемые материалы:

Смолы: Любые, например эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные.

Волокна: Любые.

Наполнители: Любые, стойкие к используемым смолам.

Основные преимущества:

Широко используется в течении многих лет.

Простота процесса.

Недорогие используемые инструменты, если используются смолы, отверждаемые при комнатной температуре.

Широкий выбор поставщиков и материалов.

Более высокое содержание стеклянного наполнителя и более длинные волокна по сравнению с методом напыления рубленного роввинга.

Основные недостатки:

Качество смеси смолы и катализатора, качество ламината, содержание стеклообразующего в ламинате очень зависят от квалификации рабочих.

Высокая вероятность воздушных включений в ламинате.

Малая производительность метода.

Вредные условия труда.

Метод напыления рубленного роввинга

Стеклонить подается в ножи пистолета, где она рубится на короткие волокна. Затем они в воздухе смешиваются с струей смолы и катализатора и наносятся на форму. После нанесения рубленного роввинга, его необходимо прикатать с целью удаления из ламината воздушных включений. Прикатанный материал оставляют отвердевать при обычных атмосферных условиях.

Применяемые материалы:

Смолы: Прежде всего полиэфирные.

Волокна: Только стеклонить в виде роввинга (ровницы).

Наполнители: Любые, стойкие к стиролу. Укладываются вручную.

Основные преимущества:

Широко используется много лет.

Быстрый путь нанесения волокна и смолы.

Дешевые формы.

Основные недостатки:

Ламинаты имеют тенденцию быть очень богатыми смолой и поэтому чрезмерно тяжелыми.

Присутствуют только короткие волокна, которые ограничивают механические свойства ламината.

Смолы должны быть с низкой вязкостью для возможности их напыления. Это приводит к уменьшению их механических свойств и теплостойкости.

Вредные условия труда, большое содержаний в воздухе мелких частиц стекла.

Качество конечного продукта в основном зависит от мастерства оператора установки.

Метод RTM

Стеклоармирующий материал укладывается на матрицу в виде заранее заготовленных выкроек. Затем укладывается пуансон, который прижимается к матрице при помощи прижимов. Смола подается в полость формы под рассчитанным давлением. Иногда, для облегчения прохода смолы через материал используется вакуум, который создается внутри формы. Как только смола пропитала весь стекломатериал, инжекцию останавливают и ламинат оставляют в форме до полного отверждения. Отверждение может проходить при обычной или повышенной температурах.

Применяемые материалы:

Смолы: эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные.

Волокна: Любые. Желательно использовать специально предназначенные для этого стекломатериалы с проводящим слоем и механически связанными волокнами.

Наполнители: Любые стойкие к стиролу, кроме материалов в виде сот.

Основные преимущества:

Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.

Хорошие условия труда и окружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ.

Возможно сокращение трудовых затрат и времени на изготовление изделия. Один рабочий может обслуживать одновременно несколько аппаратов, производяших инжекцию.

Вся форма изделия имеет глянцевую поверхность.

Минимизированы отходы материалов.

Основные недостатки:

Дорогие и сложные формы.

Сложность процесса.

Необходимость иметь инжекционное оборудование.

Метод пультрузии

Волокна подаются от катушечной рамы до ванны со смолой и затем проходят через нагретую фильеру. В фильере убираются излишки смолы, происходит профилирование ламината и отверждение материала. После этого отвержденный профиль автоматически обрезается на необходимые длины.

Применяемые материалы.

Смолы: Эпоксидная смола, полиэфирная смола, винилэфирная смола.

Волокна: Любые.

Наполнители: Не используются.

Основные преимущества:

Это может быть очень быстрый процесс пропитки и отверждения материала.

Автоматизированное управление содержанием смолы в ламинате.

Недорогие материалы.

Хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.

Закрытый процесс пропитки волокна.

Основные недостатки:

Ограниченная номенклатура изделий.

Дорогое оборудование.

Метод намотки

Этот процесс прежде всего используется для изготовления пустотелых круглых или овальных секционных компонентов, типа труб или резервуаров. Волокна пропускаются через ванну со смолой, затем через натяжные валики, служащие для натяжения волокна и удаления излишков смолы. Волокна наматываются на сердечник с необходимым сечением, угол намотки контролируется отношением скорости движения тележки к скорости вращения.

Применяемые материалы:

Смолы: Любые.

Волокна: Любые, волокна подаются напрямую от рамы для катушек без дополнительного сшивания в ткань.

Наполнители: Любые.

Основные преимущества:

Это может быть очень быстрый и поэтому экономически выгодный метод укладки материала.

Регулируемое соотношение смола/стекло.

Высокая прочность при малом собственном весе.

Неподверженность коррозии и гниению

Недорогие материалы

Основные недостатки:

Ограниченная номенклатура изделий.

Дорогое оборудование.

Волокно трудно точно положить по длине сердечника.

Высокие затраты на сердечник для больших изделий.

Рельефная лицевая поверхность.

Метод RFI (Resin Film Infusion)

Сухие ткани выкладываются вместе со слоями полутвердой пленки из смолы. Весь полученный пакет закрывается специальной пленкой. Сначала между пленкой и формой создается вакуум, после чего форму помещают в термошкаф или автоклав. Под воздействием температуры смола переходит в текучее состояние и благодаря вакууму пропитывает материал. После некоторого времени смола полимеризуется.

Применяемые материалы:

Смолы: Только эпоксидная смола.

Волокна: Любые.

Наполнители: Почти все, хотя ПВХ пена нуждается в специальной обработке из-за высоких температур процесса.

Основные преимущества:

Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.

Высокие физико-механические характеристики из-за твердого начального состояния полимера и высоких температур отверждения.

Более низкая стоимость процесса по сравнению с методом препрегов.

Хорошие условия труда и окружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ.

Основные недостатки:

Мало применяется вне аэрокосмической промышленности.

Для процесса необходима система вакуумного мешка, термошкаф или автоклав.

Требования к оборудованию и инструменту по температуростойкости.

Метод препрегов

Препрег - предварительно пропитанная смолами стеклоткань.

Ткани и волокна предварительно пропитаны пред-катализированной смолой под высокой температурой и давлением. В таком виде препреги могут хранится до нескольких недель, однако для увеличения срока хранения, их хранят при пониженных температурах. Смола в препрегах находится в полутвердом состоянии. При формовании препреги укладываются на поверхность формы и закрываются вакуумным мешком. Затем происходит их нагревание до температуры примерно 120 - 180 град.C при этой температуре смола переходит в текучие состояние и препрег принимает размеры формы. Далее при дальнейшем повышении температуры происходит отверждение смолы. Дополнительное давление (до 5 атмосфер) для формования обычно обеспечивается автоклавом.

Применяемые материалы:

Смолы: Эпоксидные, полиэфирные, фенольные и высокотемпературные смолы типа полиимидных др.

Волокна: Любые.

Наполнители: Любые стойкие к температурам процесса.

Основные преимущества:

Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.

Хорошие условия труда и окружающая среда. Нет большого выброса вредных веществ.

Возможность автоматизировать процесс и снизить трудовые затраты.

Основные недостатки:

Высокая стоимост материалов.Для отверждения необходимы автоклавы, которые ограничивают размеры выпускаемых изделий.

4. Области использования композиционного материала

Из стеклопластиков производят следующие изделия: оконные и другие профили, бассейны, купели, водные аттракционы,водные велосипеды, лодки, каноэ, рыболовные удилища, таксофонные кабины, кузовные панели и обвесы для грузовых и легковых автомобилей, электронепроводящие лестницы и штанги для работ в опасной близости от конструкций под напряжением.

Очень удобно, что стеклопластик можно производить любой формы, цвета и толщины.

Стеклопластик - один из наиболее широко применяемых видов композиционных материалов. Из стеклопластиков в частности изготавливают трубы, выдерживающие большое гидравлическое давление и не подвергающиесякоррозии, корпуса ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ), лодки, корпуса маломерных судов и многое другое. В США начало широкого применения конструкционных стеклопластиков было инициировано осуществлением программы "Поларис" во второй половине 1950-х годов - программы создания первой твердотопливной ракеты ВМФ США для подводного старта.

Трубы и трубчатые конструкции получают намоткой пропитанного связующим (смола + отвердитель + модифицирующие добавки) стекловолокна, на вращающуюся оправку (чаще всего стальную) с последующим отверждением и распрессовкой (снятием намотанной трубы со стальной оправки). Если диаметр трубы большой, то технически и экономически целесообразно использовать стеклопластиковую оправку.

Стойкость к действию химикатов и эксплуатационные показатели стеклопластика продемонстрированы за прошедшие 60 лет успешным использованием разнообразных изделий из композитов в сотнях различных химических сред. Практический опыт был дополнен систематической оценкой соединений, подвергнутых большому количеству химических сред в лабораторных условиях.

Стеклопластиковые корпуса моделей судов, самолётов, машин и т.п. можно вручную изготавливать из эпоксидного клея и стеклоткани в условиях кружка или детской мастерской, что довольно часто практикуется в домах детского творчества.

напорные и безнапорные трубопроводы для транспортировки агрессивных жидкостей и сред;
емкости — как горизонтальные, так и вертикальные — для хранения и транспортировки агрессивных жидкостей;
желоба для подачи электролита;
секции охлаждающих градирен, напорные коллекторы;
газоотводящие стволы дымовых труб;
скрубберы, абсорберы, циклоны, аппараты Вентури;
колонные аппараты, регенерационные колонны, корпуса электрофильтров;
травильные, гальванические и электролизные ванны;
вентиляционные системы для удаления паров вредных веществ от технологического оборудования.

Заключение

Стеклопластики являются одним из самых доступных и недорогих композиционных материалов. Основные затраты при производстве изделий из стеклопластика приходятся на технологическое оборудование и рабочую силу, затраты на которую велики за счет трудоемкости и больших временных затрат на производство. Соответственно, на данный момент изделия из стеклопластика проигрывают по цене изделиям из металла из-за трудоёмкого и длительного процесса выклейки стеклопластиковых деталей, что вызывает большие затруднения при массовом производстве. Наиболее выгодно использование стеклопластика при мелкосерийном производстве. Крупносерийное производство становится более выгодным при использовании вакуумного формования. Также выгодным может быть и контактное формование, в случае если цена рабочей силы невелика.

Список литературы

Д. М. Карписон “Композиционные материалы” справочник, Киев Наукова думка 1985г.
Большая советская энциклопедия : В 30 т. Т 12\ ред. А. М. Прохоров. М., 1973г.
В.В. Васильев Композиционные материалы 1980г.
Справочник Композиционные материалы
Лахтин Ю.М. , Леонтьев В.П. “Материаловедение. Учебник для высших учебных заведений” 3е изд. М., 1990

Активирование процессов взаимодействия компонентов композита на границе раздела фаз 📙 Курсовая → 🆔 5015