Огляд: Матеріали, енергія та інформація є трьома стовпами сучасної науки та технологій, а матеріалознавство є однією з провідних дисциплін у сучасному світі. Композитні матеріали є висхідною зіркою в галузі матеріалів, і їхня поява призвела до значних змін у промисловості матеріалів, сформувавши модель співіснування металевих матеріалів, неорганічних неметалевих матеріалів, полімерних матеріалів і композиційних матеріалів. Вичерпне та повне визначення композитних матеріалів таке: композитні матеріали — це новий тип матеріалу, що складається з різних типів матеріалів, таких як органічні полімери, неорганічні неметали або метали, які поєднуються за допомогою композитних процесів. Вони можуть зберігати основні характеристики оригінальних матеріалів компонентів, отримуючи властивості, якими оригінальні компоненти не володіють завдяки композиційним ефектам; Продуктивність кожного компонента можна доповнювати та співвідносити один з одним за допомогою дизайну матеріалів, отримуючи таким чином нову чудову продуктивність.
Композитні матеріали, які спираються на сильні сторони інших, представляють напрям розвитку матеріалів. Багато експертів вважають, що людство вступило в еру композиційних матеріалів з ери синтетичних матеріалів, і це положення має певне наукове підґрунтя. Синтезувати новий матеріал, що відповідає різним високим вимогам до комплексних показників, дуже важко. Якщо хтось хоче своєчасно розробити задовільний матеріал, цикл від лабораторії до глибокого виробництва також дуже довгий. Але якщо об’єднати наявні матеріали, можливо, легше задовольнити вимоги. Крім того, композитні матеріали є анізотропними матеріалами, і для використання матеріалів розташування армуючих волокон може бути розроблено відповідно до фактичної ситуації напруги, таким чином економлячи матеріали, чого неможливо досягти за допомогою загальних ізотропних матеріалів. Завдяки чудовим характеристикам композитних матеріалів вони привернули увагу розвинутих країн світу та були обрані одним із пріоритетних напрямків розвитку в галузі нових матеріалів, що повністю демонструє важливість композитних матеріалів.
Більшість композитних матеріалів на основі смоли використовуються в атмосферних середовищах, занурені у воду чи морську воду або закопані під землю. Деякі з них використовуються як резервуари для зберігання різних розчинників. Під дією повітря, води, хімічних середовищ, світла, радіації, мікроорганізмів їх хімічний склад, будова і різні властивості зазнають різноманітних змін. У багатьох випадках температура та напружений стан мають важливий вплив на ці хімічні реакції, особливо для аерокосмічних транспортних засобів та їхніх компонентів двигунів, що працюють у суворих умовах, які повинні витримувати високі температури та високотемпературну ерозію повітряного потоку. Їх хімічна стабільність має вирішальне значення.
Полімер, як матриця композитних матеріалів на основі смоли, може зазнавати хімічного розкладання різними шляхами. Це може статися через взаємодію з корозійними хімічними речовинами або опосередковано через генерацію стресу, включаючи термічну деградацію, радіаційну деградацію, механічну деградацію та біодеградацію. Полімерна матриця сама по собі є органічною речовиною, яка може руйнуватися, розбухати, розчинятися або спричиняти стресову корозію системи органічними розчинниками. Так звана стресова корозія відноситься до передчасного руйнування матеріалів під впливом напруги під час взаємодії з певними органічними розчинниками. Таке навантаження може виникнути під час використання або через певні обмеження у технології виробництва.
Залежно від різних типів підкладок, чутливість матеріалів до різних хімічних речовин різна. Звичайні армовані скловолокном пластмаси стійкі до сильних кислот, солей і складних ефірів, але не до лугів. Взагалі люди приділяють більше уваги впливу води на властивості матеріалів. Вода зазвичай може призвести до зниження діелектричної міцності композитних матеріалів на основі смоли. Дія води викликає розсіювання світла та непрозорість, коли руйнуються хімічні зв’язки матеріалу, що також має важливий вплив на механічні властивості. Міцність на розтягування, міцність на зсув і міцність на вигин композитних матеріалів, що складаються з епоксидної смоли або поліефірної смоли зі скляними волокнами, які не склеєні або лише термічно оброблені, зазнають значного впливу окропу. Використання зв'язуючих речовин може значно зменшити ці втрати. Вплив води та різних хімічних речовин пов'язаний з температурою, часом контакту, а також величиною напруги, властивостями матриці та геометричною структурою, властивостями та попередньою обробкою армуючого матеріалу. Крім того, це також пов’язано зі станом поверхні композитного матеріалу, а матеріал з відкритими кінцями волокон більш сприйнятливий до пошкоджень.
Існує кілька режимів і шляхів термічної деградації полімерів, серед яких кілька режимів можуть відбуватися одночасно. Якщо повний розрив полімерного ланцюга може бути викликаний механізмом деполімеризації типу «блискавки», то одночасно можуть утворюватися леткі низькомолекулярні речовини. Інші методи включають нерегулярний розрив полімерних ланцюгів для отримання продуктів з більшою молекулярною масою або розгалуження ланцюга, а також можливе утворення циклічних структур молекулярного ланцюга. Наявність наповнювачів впливає на розкладання полімерів, а певні металеві наповнювачі можуть прискорювати розкладання за допомогою каталітичної дії, особливо в аеробних середовищах. Займання та деградація композитних матеріалів на основі смоли пов’язані з виробленими леткими речовинами, і для зменшення ризику займання зазвичай додають антипірени. Деякі полімери можуть утворювати шар жаростійкого коксу в умовах високої температури. Коли ці полімери змішуються з нейлоном, поліефірними волокнами тощо, розкладання цих армуючих матеріалів призводить до утворення летких речовин, які можуть відводити тепло та охолоджувати згорілий полімер, додатково покращуючи термостійкість і надаючи композитному матеріалу чудові механічні властивості. такі властивості, як хороша сейсмостійкість.
Багато полімерів пошкоджуються ультрафіолетовим випромінюванням або іншим високоенергетичним випромінюванням, і механізм полягає в тому, що коли енергія світла та випромінювання перевищує енергію ковалентного зв’язку між атомами, молекулярні ланцюги розриваються. Полімери, наповнені свинцем, можна використовувати для запобігання випромінюванню високої енергії. Ультрафіолетове випромінювання зазвичай приділяється більше уваги, і зазвичай споживані добавки включають сажу, оксид цинку та діоксид титану, які поглинають або відбивають ультрафіолетове випромінювання.
Механічна деградація є ще одним механізмом деградації, при якому, коли частота збільшення стресу перевищує здатність реагувати на зв’язок через трансляцію, відбувається розрив зв’язку, і утворювані вільні радикали також можуть впливати на режим деградації наступної стадії. Тверді та крихкі полімерні матриці мають низьку деформацію та можуть зазнавати крихкого руйнування з або без розриву ланцюга, тоді як м’які, але більш в’язкі полімерні матриці здебільшого механічно руйнуються.
Армовані волокнами композитні матеріали привернули велику увагу і мають значні характеристики. У порівнянні з металевими матеріалами або іншими неорганічними матеріалами він має такі переваги, як легка вага, висока питома міцність, стійкість до корозії, електрична ізоляція, миттєва стійкість до надвисоких температур, повільна теплопередача, звукоізоляція, водонепроникність, легке фарбування та здатність передавати електромагнітні випромінювання. хвилі. Це новий матеріал, який поєднує в собі функціональні та конструктивні характеристики.
Композитний матеріал, армований скловолокном (широко відомий як "скловолокно"), є композитним матеріалом, розробленим раніше. Це конструкція, виготовлена з використанням скловолокна та його виробів як армуючих матеріалів, термореактивної або термопластичної смоли як матриці та певних процесів формування. Його наукова назва - пластик, армований скловолокном. У 1958 році Лай Джифа, колишній міністр будівельних матеріалів, запропонував популярну та яскраву назву «скловолокно», яка тепер визнана колегами в галузі як усередині країни, так і за кордоном.
Завдяки аналізу конструкції цього типу скловолоконного композитного матеріалу, порівняно з традиційними матеріалами, композитні матеріали мають наступні характеристики.
① Можливість проектування матеріалів і багаторівнева структура композитних матеріалів надають надзвичайної гнучкості дизайну композитних матеріалів та їх структур. Механічні, механічні, теплові, акустичні, оптичні, електричні, антикорозійні, проти старіння та інші фізичні та хімічні властивості композитних матеріалів можуть відповідати вимогам використання та умовам навколишнього середовища деталей. Завдяки вибору та підбору матеріалів компонентів, дизайну шарів, контролю інтерфейсу та інших засобів проектування матеріалів можна максимально досягти очікуваної мети, щоб забезпечити робочі характеристики інженерного обладнання.
② Композитні матеріали, які можуть забезпечувати як поверхневу, так і структурну корозійну стійкість, можуть забезпечувати відмінну корозійну стійкість, а також чудові механічні властивості як конструкційні матеріали, досягаючи корозійної стійкості конструкції. Однак звичайні антикорозійні матеріали, такі як антикорозійні покриття, гумові облицювальні листи та глиняні облицювальні блоки (кислотостійкі порцелянові плити, литі кам’яні плити, гранітні блоки тощо) можна використовувати лише як антикорозійні шари. Після пошкодження цих антикорозійних шарів захищені частини конструкції піддаються корозії та пошкодженню, що призводить до загрози безпеці в основній конструкції.
③ Структурний дизайн композитного матеріалу включає дизайн матеріалу. У структурному проектуванні традиційних матеріалів необхідно лише вибрати стандартизовані матеріали відповідно до вимог. При проектуванні конструкцій з композиційних матеріалів матеріали розробляються проектувальником на основі умов проектування. Як згадувалося вище, композиційні конструкції часто утворюються одночасно з матеріалом і конструкцією, і матеріал також має можливість проектування. Таким чином, структурне проектування композитних матеріалів є новим типом структурного проектування, яке включає дизайн матеріалів. Його можна розглядати як з матеріальної, так і з конструктивної сторони. Дизайнери можуть розробляти композитні матеріали з різними властивостями для різних частин конструкції відповідно до їх різного стану напруги на основі характеристик конструкції.
④ Залежність властивостей матеріалу від композитної технології: фізичні та хімічні зміни складових матеріалів відбуваються під час процесу формування структур композитного матеріалу. Різні види сировини, армуючі матеріали, об'ємний вміст волокон і схеми укладання, які використовуються в різних процесах формування, також відрізняються. Типи сировини, які використовуються в різних процесах формування, формування армуючих матеріалів, об'ємний вміст волокон і схеми укладання також відрізняються. Тому продуктивність компонентів сильно залежить від методів процесу, параметрів процесу та виробничих процесів. Крім того, через складність точного контролю параметрів процесу під час процесу формування дисперсія продуктивності композитних компонентів, як правило, значна. Для конструкцій з композитних матеріалів, оскільки структура та матеріал є інтегрованими, відносно легко досягти різноманітних структурних форм шляхом формування та виготовлення та навіть реалізувати загальний дизайн конструкції. Реалізація цієї переваги залежить від тісної інтеграції конструкції композитного матеріалу та розробки виробничого процесу. Розумне структурне проектування повинно враховувати можливість виробничих процесів, а проектування виробничого процесу має забезпечувати оптимальне проектування конструкції якомога більшою мірою.
⑤ З точки зору механічного аналізу, значна різниця між композитними матеріалами та звичайними матеріалами (такими як металеві матеріали) полягає в тому, що останні вважаються однорідними та ізотропними, тоді як перші є гетерогенними та анізотропними. Так звана однорідність стосується того факту, що продуктивність кожної точки в межах об’єкта однакова, що означає, що продуктивність об’єкта не є функцією його внутрішнього положення; А неоднорідність – з точністю до навпаки. Так звана ізотропія стосується однакової продуктивності в усіх напрямках у точці всередині об’єкта; А анізотропія вказує на те, що продуктивність точки є функцією її напрямку. Через сильну анізотропію та неоднорідність композиційних матеріалів їх характеристики деформації під впливом зовнішніх сил відрізняються від характеристик ізотропних матеріалів загального характеру. Зовнішня сила часто може викликати численні основні деформації, а міцність і різні параметри одношарових і ламінованих панелей є функціями напрямку. Тому при вивченні механічних властивостей композиційних матеріалів слід звертати увагу на їх складність і специфіку. У структурному проектуванні, крім розгляду максимального напруження в конструкції, слід також звернути увагу на слабкі зв’язки, відображені анізотропними характеристиками матеріалу, головним чином через той факт, що властивості зсуву та поперечні властивості є набагато слабшими, ніж волокна. спрямовані властивості.
⑥ Завдяки композиційним характеристикам композитних матеріалів, які використовуються для запобігання корозії, вироби або частини, виготовлені з композитних матеріалів, можуть одночасно мати відмінну стійкість до корозії, електричні характеристики (провідність або ізоляція) і теплові характеристики (теплопровідність або ізоляція). Наприклад, скловолокно та смоляні матеріали самі по собі є електроізоляційними та теплоізоляційними матеріалами з чудовими електроізоляційними та теплоізоляційними властивостями. Однак ми можемо вводити електропровідні або теплопровідні компоненти в антикорозійну смолу відповідно до реальних потреб, щоб композитний матеріал мав відповідні електропровідні або теплопровідні властивості.
⑦ Хороших характеристик поверхні антикорозійних композитних матеріалів можна досягти під час виробничого процесу, регулюючи стан поверхні шаблону, різноманітність смол поверхневого шару та армуючих матеріалів, а також виробничий процес, щоб утворити надзвичайно гладку поверхню для анти- корозійні композитні вироби. І надайте поверхні спеціальні властивості, такі як гідрофобність, олеофобність, зносостійкість, теплопровідність, електростатична провідність і захист від накипу відповідно до потреб.
Вищенаведений зміст підсумовує характеристики композитних матеріалів у цілому. Якщо порівняти композитні матеріали з традиційними матеріалами, то можна виявити, що композитні матеріали мають наступні переваги.
① Найбільшою перевагою волокнистих композитних матеріалів з високою питомою міцністю та високим питомим модулем є їх висока питома міцність та високий питомий модуль. Питома міцність означає відношення міцності матеріалу до його щільності, тоді як питомий модуль відноситься до відношення модуля матеріалу до його щільності. Важливими показниками для вимірювання несучої здатності конструкційних матеріалів є питома міцність і питомий модуль. Для структурних компонентів в авіації, аерокосмічній галузі, автомобілях, поїздах, кораблях та інших рухомих конструкціях вони є дуже важливими показниками, що означає, що можна виготовляти конструкції з хорошою продуктивністю та малою вагою. Для хімічного обладнання та будівельних проектів матеріали з високою питомою міцністю та модулем можуть зменшити власну вагу, витримувати більші навантаження та покращити свою сейсмостійкість.
② Хороша ефективність проти втоми. Втомне руйнування — це руйнування при низькій напрузі, спричинене утворенням і поширенням тріщин у матеріалах під впливом змінних навантажень. Пошкодження від втоми є однією з основних причин авіакатастроф серед етнічної групи хань. Характеристики втоми композиційних матеріалів при розтягуванні в напрямку волокон значно кращі, ніж у металів. Втомна руйнування металевих матеріалів поступово зростає зсередини назовні, а потім раптово розширюється. Втомне руйнування композиційних матеріалів завжди починається зі слабких ланок волокон або матриці і поступово поширюється на поверхню з’єднання. Коли пошкоджень багато і розміри великі, перед пошкодженням є явні ознаки, які можна виявити та вчасно вжити заходів. Межа втомної міцності металевих матеріалів зазвичай становить 30% -50% міцності на розрив. Межа втомної міцності композитних матеріалів на основі смоли, армованих вуглецевим волокном, становить 70% -80% їх міцності на розрив. Таким чином, компоненти з композитних матеріалів, які працюють в умовах тривалого змінного навантаження, мають довший термін служби та більшу безпеку від пошкоджень.
③ Ефективність демпфування несучої конструкції не тільки пов’язана з її формою, але й прямо пропорційна квадратному кореню з питомого модуля конструкційного матеріалу. Отже, композитні матеріали мають вищу власну частоту. У той же час інтерфейс волокна матриці композитних матеріалів має більшу здатність поглинати енергію вібрації, що призводить до більш високого гасіння вібрації матеріалу. Дослідження балок такого ж розміру показують, що балкам з алюмінієвого сплаву потрібно 9 секунд, щоб припинити вібрацію, тоді як балкам з вуглецевого волокна/епоксидного композиту потрібно лише 2,5 секунди, щоб припинити вібрацію. Цього прикладу достатньо, щоб проілюструвати проблему. Ефективність поглинання ударів у арамідних композитних матеріалів краща, ніж у композитних матеріалів з вуглецевого волокна.
④ Безпека пошкоджень композитних матеріалів хороша. Пошкодження композитних матеріалів не відбувається раптово, як у традиційних матеріалів, а проходить через серію процесів, таких як пошкодження матриці, розшарування на межі розділу, розрив волокна тощо. Коли компонент перевантажений і невелика кількість волокон розривається, навантаження буде швидко перерозподілено до непошкоджених волокон через передачу матриці, щоб не призвести до того, що весь компонент втратить свою несучу здатність у короткостроковій перспективі.
⑤ Зазвичай використовувані композиційні матеріали з термореактивної смоли, армовані скловолокном (широко відомі як термореактивне скловолокно), мають гарну хімічну корозійну стійкість і, як правило, стійкі до кислоти, розведеного лугу, солі, органічних розчинників, морської води та вологи. Композитні матеріали на основі термопластичної смоли, армовані скловолокном (широко відомі як термопластичне скловолокно), зазвичай мають кращу стійкість до хімічної корозії, ніж термореактивні матеріали. Загалом, стійкість до хімічної корозії в основному визначається підкладкою. Скловолокно нестійке до фторидів, таких як плавикова кислота. При виготовленні виробів із композитних матеріалів, придатних для фторидів, таких як фтористоводнева кислота, армуючий матеріал поверхневого шару, який контактує із середовищем у продукті, не може використовувати скловолокно. Можна використовувати насичений поліестер або поліпропілен (повсть), а для матриці також потрібно використовувати смолу фтористоводневої кислоти.
⑥ Композитні матеріали на основі смоли з хорошими електричними властивостями є чудовими ізоляційними матеріалами, які використовуються для виготовлення ізоляційних компонентів у приладах, двигунах та електричних приладах. Вони дозволяють не тільки підвищити надійність електрообладнання, але і продовжити термін його служби. Вони можуть зберігати хороші діелектричні властивості при високій частоті, не відбивати електромагнітні хвилі та мати хорошу мікрохвильову прозорість. В даний час вони широко використовуються як конструкційні матеріали для виготовлення літаків, кораблів і наземних радіолокаційних покриттів.
⑦ Композитні матеріали на основі смол мають хороші теплові характеристики, низьку теплопровідність, малий коефіцієнт лінійного розширення та створюють набагато меншу термічну напругу, ніж метали, коли існує різниця температур. Вони є відмінним теплоізоляційним матеріалом. Композиційні матеріали на основі фенольних смол стійкі до миттєвих високих температур і можуть служити ідеальним матеріалом для термозахисту та термостійкої ерозії. Вони можуть ефективно захищати ракети, ракети та космічні кораблі від впливу високої температури та високошвидкісного повітряного потоку вище 2000 градусів. Крім того, завдяки можливостям проектування матеріалів полімерної матриці, коли потрібна теплопровідність, її теплопровідність можна переробити за допомогою відповідних методів модифікації для забезпечення достатньої теплопровідності.
Недоліки композитних матеріалів: композитні матеріали на основі смоли також мають багато недоліків або недоліків. У наступному змісті коротко описано основні недоліки композитних матеріалів на основі смол, щоб читачі могли мати повне розуміння основних властивостей композитних матеріалів на основі смол у практичному застосуванні, щоб повністю використовувати переваги композитних матеріалів на основі смол, уникати або подолання їхніх недоліків і, таким чином, досягнення найкращої економічної ефективності композитних матеріалів на основі смоли.
① Модуль пружності волокнистих композитних матеріалів (скловолокно) низький. Модуль пружності скловолокна вдвічі перевищує модуль пружності деревини, але в 10 разів менше, ніж у звичайної конструкційної сталі. Тому в склопластикових конструкціях часто спостерігається недостатня жорсткість і значні деформації. Щоб усунути цей недолік, можна використовувати тонкі оболонкові структури та сендвіч-структури, а також використовувати високомодульні волокна або порожнисті волокна, щоб вирішити цю проблему.
② Загалом міжшарова міцність на зсув і міжшарова міцність на розтяг армованих волокнами композитних матеріалів нижчі, ніж у матриці за низької міжшарової міцності. Таким чином, під дією міжшарових напруг легко викликати розшарування ламінованих панелей, що призводить до руйнування композитних структур, що є важливим фактором, що впливає на використання композитних матеріалів у певних конструкціях. Таким чином, у структурному проектуванні міжшарове напруження має бути мінімізоване, наскільки це можливо, або слід вжити певних структурних заходів, щоб уникнути руйнування міжшарового розшарування.
③ Більшість армуючих волокон (за винятком арамідних волокон, поліетиленових волокон із надвисокою молекулярною масою тощо) є крихкими матеріалами, і деформація руйнування дуже мала при розтягуванні. Тому композитні матеріали, армовані волокнами, також є крихкими матеріалами. Це вірно вздовж напрямку волокон і тим більше перпендикулярно до напрямку волокон. Їх деформація руйнування значно менша, ніж у металевих матеріалів. Це може покращити деформацію волокон при розриві, міцність матриці та стан інтерфейсу, щоб підвищити міцність, стійкість до розриву, стійкість до втоми та ударостійкість композитних матеріалів.
④ Термостійкість композитних матеріалів на основі смоли є відносно низькою. Зараз високоефективні композитні матеріали на основі смоли використовуються протягом тривалого часу при температурах нижче 250 градусів, тоді як звичайні композитні матеріали на основі смоли використовуються протягом тривалого часу при температурах нижче 60-100 градусів.
⑤ Є багато факторів, які значною мірою впливають на продуктивність композитних матеріалів, включаючи рівень і дисперсію властивостей волокон і матриці, кількість пор, тріщин і дефектів, чи розумний потік процесу та робота, чи відповідний процес затвердіння і чи відповідають виробниче середовище та умови вимогам. Усе це може викликати значні зміни властивостей композитних матеріалів. Крім того, наразі бракує комплексних методів моніторингу продукції, що ускладнює контроль якості продукції, а розкид властивостей матеріалу є високим. Наприклад, композитні вироби, виготовлені шляхом ручного склеювання склотканини, мають коефіцієнт дисперсності міцності від 6 до 10 %. Характеристики згаданих вище скловолоконних композитних матеріалів щодо продуктивності, процесу, дизайну тощо непорівнянні з будь-яким іншим матеріалом. Тому скловолокнисті матеріали можуть широко використовуватися у військових і цивільних цілях. В останні роки на основі технології скловолокна були досліджені та розроблені нові високоефективні композитні матеріали, армовані волокном. Особливо у зв'язку з розвитком авіаційної та аерокосмічної техніки, а також потребою в інженерних конструкціях або компонентах для певних спеціальних застосувань, необхідно розширити сферу застосування армуючих матеріалів, покращити їхні фізичні та хімічні властивості, досягти спеціальних вимог, таких як високі міцність, високий модуль, стійкість до високих температур, низька щільність і т. д. Успішні дослідження та пробне виробництво борних волокон, вуглецевих волокон, органічних волокон (арамідних) тощо відкрили надзвичайно широкі шляхи застосування для розробки армованих волокнами композитів матеріалів. В даний час існує кілька основних високоефективних матеріалів, армованих волокном, включаючи наступні
① Композитний матеріал, армований бороволокном, має набагато вищу питому міцність, жорсткість і модуль пружності, ніж скловолокно. Його міцність на стиск і коефіцієнт теплового розширення більше підходять для виготовлення різних конструкційних композитних матеріалів.
② На початку 1960-х років композитні матеріали, армовані вуглецевим волокном, складалися з матриць, таких як смола, метал і кераміка, для отримання легких, високоміцних, жорстких, стійких до втоми та корозії композитних матеріалів із вуглецевого волокна. Вуглецеве волокно можна безпосередньо вплітати у вуглецеву тканину, карбонові мішки, вуглецевий повсть тощо для задоволення потреб різних застосувань.
③ Композитний матеріал, армований арамідним волокном, є органічним волокном з високою міцністю, високим модулем і низькою щільністю. Він має вищу міцність, ніж вуглецеве волокно, меншу вагу, ніж скловолокно та вуглецеве волокно, нижчий коефіцієнт теплового розширення, гарну стійкість до втоми, термостійкість та вогнестійкість і має певну конкурентоспроможність. В останні роки композиційні матеріали з арамідного волокна швидко розвиваються і мають великі перспективи розвитку.
