Курс лекций по дисциплине

«Оборудование и технологии обработки

композиционных материалов»

Презентация 5

«Дисперсно-наполненные композиты /ДКМ/ или

композитные материалы с нульмерным наполнителем»

МГТУ имени Н.Э. БАУМАНА, кафедра МТ-13,

доцент, к.т.н. Кочешков Игорь Владимирович 1

В ЛЕКЦИИ РАССМОТРЕНО:

• Дисперсно-упрочнённые металлокомпозиты /МДКМ/:

Типы структур и механизмы упрочнения;

Принципы выбора компонентов;

Свойства и области применения МДКМ;

Оборудование и технологии получения;

Особенности обработки МДКМ.

• Дисперсно-наполненные полимерокомпозиты /ПДКМ/:

Особенности структуры и механизмы

распространения трещин в ПДКМ;

Зависимость прочностных характеристик от размера, формы,

объёмной доли наполнителя;

Свойства и области применения ПДКМ;

Оборудование и технологии получения;

Особенности обработки ПДКМ.

2

Слайд 3

Слайд 7

Слайд 10

Слайд 18

Слайд 24

Слайд 28

Слайд 32

Слайд 37

Слайд 43

Слайд 46

Конец Слайд 48

ДИСПЕРСИННО - ТВЕРДЕЮЩИЕ СПЛАВЫ /ДТС/ и

ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЁННЫЕ КОМПОЗИТЫ /МДКМ/.

СХОЖИЕ ЧЕРТЫ:

• Упрочнение происходит за счет наличия дисперсных включений,

блокирующих перемещение дислокаций;

• Механизмы упрочнения имеют одну и туже природу.

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ:

• Если дисперсионные включения в ДТС получаются в результате

специальной операции старения, то в ДКМ дисперсные частицы

вводятся искусственно;

• Выбор стабильных упрочняющих фаз

и их объемного содержания в матрице

позволяет для ДКМ сохранять рабо-

тоспобность материала до температур

равных 0,9 Тпл, а у ДТС прочность

сохраняется только до температуры

равной примерно 0,6 Тпл (рис).

• У ДКМ выше и длительная проч-

ность при высоких температурах (рис.) 3

ТИПЫ СТРУКТУР ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ КМ: (Дисперсная /а/; Агрегатная /б/ и Смешанная. Преобладание той или

иной структуры определяется способом получения порошковой смеси.)

4

Для достижения максимального упрочняющего эффекта нужно чтобы

расстояние между частицами составляло ≈0,1 мкм, а размер частиц был

равен ≈0,01 мкм. Это соответствует 5-10 об.% упрочняющей фазы, тогда

как в ДТС содержание упрочняющих выделений достигает 60%.

МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ КМ

• Существует два механизма упрочнения ДКМ:

Обход частиц дислокациями (механизм Орована) – соответствует

начальному этапу нагружения;

Перерезание частиц дислокациями (С.Анселл и В.Ленел) – отвечает

существенной пластической деформации;

При промежуточных значениях внутренних напряжений наблюдается

переходное состояние между двумя механизмами.

• Модель Орована рассматривает движение дислокаций

в мягкой и вязкой матрице, содержащей жесткие равно-

весные частицы. Накопление взаимно отталкивающихся

дислокационных колец вокруг дисперсных частиц

создают поле упругих напряжений, затрудняющих

прохождение новых дислокаций. Рост напряжений по

механизму Орована обратно пропорционален отношению

среднего расстояния между частицами к среднему ради-

усу частиц в плоскости скольжения.

5

МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ ДУ КМ /Продолжение/

• Механизм, предполагающий необходимость раз-

рушения частиц, которые блокируют плоскость

сдвига, основан на том, что заметная пластичес-

кая деформация будет лишь тогда, когда под дей-

ствием дислокаций частицы разрушаются.

Математический аппарат описывающий данный

механизм упрочнения позволяет сделать вывод,

что предел текучести материала, упрочненного

дисперсной фазой, обратно пропорционален

квадратному корню из среднего расстояния меж-

ду частицами. Это положение подтверждается экспериментально.

• При повышенных температурах начинается процесс переползания

дислокаций через дисперсные частицы и проявляется механизм

установившейся ползучести. Скорость ползучести имеет сложную

зависимость от величины действующих напряжений, размера

дисперсных частиц и расстояния между ними.

6

Возврат на Слайд 2

ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МАТРИЦЫ ДЛЯ ДКМ

При выборе матрицы учитываются следующие свойства

материала:

Технологичность;

Температурный порог рекристаллизации;

Пластичность;

Сопротивление коррозии и окислению;

Тип кристаллической структуры;

Возможность получения тонкодисперсных порошков;

Физические и механические свойства.

Наиболее ощутимые результаты получены на матрицах из:

Al, Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Cr, W, Mo

7

ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА УПРОЧНЯЮЩЕЙ ФАЗЫ

Упрочняющая фаза должна обеспечивать следующие

свойства материала:

Тугоплавкость (Тпл>10000С) и твердость;

Высокую дисперсность (с удельной поверхностью более 10 м2/г);

Не коалесцировать в процессе получения и эксплуатации;

Обладать низким значением скорости диффузии в металлическую

матрицу;

Отличаться малой растворимостью в матрице;

Не иметь полиморфных превращений и не окисляться;

Хорошо смачиваться металлом матрицы (то есть иметь хорошую

совместимость или подходящую межфазную энергию на границе);

Иметь высокий модуль упругости и чистоту исходных

компонентов.

Этим требованиям (в разной степени) отвечают: оксиды,

карбиды, нитриды, бориды, интерметаллиды и

тугоплавкие металлы. 8

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРОЧНИТЕЛЕЙ

9

Из анализа характерис-

тик упрочнителей сле-

дует:

Наиболее стабильны-

ми фазами являются

оксиды;

Не плохой устойчи-

востью обладают

нитриды и карбиды;

Устойчивость интер-

металлидов и боридов

в контакте с металла-

ми невысока.

Возврат на Слайд 2

Примеры Дисперсно-упрочненных Композитов:

• Спечённые Алюминиевые Порошки (САПы – САП1; САП2; САП3) по

сравнению с ДТС обладают большим пределом прочности при температуре

4000С (≈ в 5 раз) и большей длительной прочностью;

• МДКМ на магниевой основе, упрочненные окислами магния, и на основе

бериллия, упрочнённых оксидом ВеО и карбидом Ве2С. Позволяет повысить

100-часовую прочность бериллия при 6500С в 3 раза, а при 7300С – более чем в

5 раз;

• МДКМ на никелевой основе, упрочненные окислами тория и гафния (ВДУ1,

ВДУ2, ВДУ3). При Т=11000С ВДУ1 имеет пяти кратное, а ВДУ2 и ВДУ3 трех

кратное преимущество по длительной прочности по сравнению с ДТС;

• МДКМ на основе кобальта, упрочнённого оксидом тория, на основе хрома,

упрочнённого оксидами магния и тория, и на основе вольфрама,

упрочнённого оксидами тория, лантана и иттрия.

10

Возврат на Слайд 2

Слайд 11

Слайд 13

Слайд 14

Слайд 17

САП – Спеченный Алюминиевый Порошок.

Механические свойства стандартизированных композитов:

САП1 (7% Al2O3), САП2 (10-11% Al2O3), САП3 (13-14% Al2O3).

11

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ САП

• По прочностным характеристикам САП при повышенных температурах

(350-5000С) значительно превосходят стандартные деформируемые

алюминиевые сплавы. При 4000С прочность САП в 5 раз выше, чем у

стареющих алюминиевых сплавов. При комнатной температуре –

промежуточное положение между свойствами чистого алюминия и

стареющих сплавов.

• Прочностные характеристики САП весьма стабильны. Например,

испытания образцов САП3 при 5000С в течение 2 лет практически не

повлияли на свойства как при комнатных, так и при повышенных

температурах.

• Существенно снизить ползучесть в области низких и умеренных температур

можно легированием матрицы САП магнием и медью. Однако при

повышенных температурах легирование уменьшает сопротивление

композиции разрушению.

• Все марки САП удовлетворительно деформируются в горячем состоянии, а

САП1 и в холодном.

• Такие свойства САП, как электро- и теплопроводность, КТЛР зависят от

содержания Al2O3 (с его понижением они повышаются), но эти свойства

выше, чем у стареющих сплавов.

12 Слайд 10

ДКМ на основе бериллия и магния

• ДМКМ на основе бериллия упрочняются оксидом ВеО и карбидом

Ве2С. Если сопротивление ползучести и длительная прочность в ДУ

КМ Ве-ВеО относительно невелики, то применение карбида бериллия

в качестве упрочняющей фазы позволяет повысить 100-часовую проч-

ность бериллия при 6500С в 3 раза, а при 7300С – более чем в 5 раз.

Благодаря высокому коэффициенту рассеяния нейтронов, высокому

модулю упругости и низкой плотности ДУ КМ на основе бериллия

является перспективным материалом в реакторостроении, а также в

качестве армирующих элементов в композитах с повышенным

модулем упругости.

• МДКМ на основе магния упрочняются оксидом MgO. Наибольший

эффект достигается при 1% MgO. Применение ограничено из-за

низкой коррозионной стойкостью в морской воде и на воздухе при

температурах выше 4000С. Наиболее перспективно применение в

авиации, ракетной и ядерной технике в качестве конструкционных

материалов несущих деталей и корпусных изделий минимальной

массы и повышенной прочности.

13 Слайд 10

Дисперсно-упрочненные КМ на никелевой основе.

• В качестве упрочняющей фазы используются преимущественно

оксиды тория (ThO2) и гафния (HfO2);

• Упрочнение оксидом тория более эффективно, но он более токсичен

(радиоактивен) и дорог;

• Имеются стандартизированные дисперсно-упрочненные композиты

на никелевой основе: ВДУ1 (ТД-никель), состоящий из 98% никеля и 2% оксида тория;

ВДУ2, состоящий из 98% никеля и 2% оксида гафния;

ВДУ3 (ТД-нихром /Ni +20% Cr/), состоящий из 98% нихрома и 2% оксида тория.

• Легирование никелевой матрицы W, Ti, Al, обладающими переменной

растворимостью в никеле, дополнительно упрочняет материалы в

результате дисперсионного твердения матрицы в процессе

охлаждения с температур спекания.

• ДУ КМ на основе никеля применяются главным образом в

авиационной и космической техники (лопатки газовых турбин, камеры

сгорания, теплозащитные панели, сосуды и трубопроводы, работающие при высоких

температурах в агрессивных средах).

14

Механические свойства МДКМ на никелевой основе

15

Длительная прочность ДКМ типа ВДУ и жаропрочного

никелевого сплава Ж6К при температурах 900-12000С

16

Возврат на Слайд 10

МДКМ на основе кобальта, хрома и вольфрама.

• МДКМ на основе кобальта упрочняются оксидом тория, содержание

которого находится в пределах 2-4%. При температура ниже

полиморфного превращения (4700С) ДКМ на основе кобальта имеют

высокое временное сопротивление и меньшую пластичность, чем

МДКМ на основе никеля. При высоких температурах свойства этих

материалов отличаются незначительно. МДКМ на основе кобальта

применяют для изготовления лопаток газовых турбин авиационных

двигателей и деталей, работающих при повышенных температурах в

парах ртути.

• ДКМ на основе хрома упрочняются оксидами магния и тория. Ос-

новное назначение этого материала изготовление деталей, работаю-

щих при высоких температурах в окислительной среде. Высокая

эрозионная стойкость под действием мощных тепловых потоков

делает их перспективными материалами для сопл плазматронов.

• ДКМ на основе вольфрама упрочняются оксидами тория, лантана и

иттрия. Применяется в электротехнической, электровакуумной и

металлургической промышленности.

17 Слайд 10

Методы получения МДКМ

18

Твёрдофазные, основанные

на методах порошковой ме-

таллургии

Жидкофазные, основанные

на непосредственном вве-

дении наполнителя в жид-

кий металл

Слайд 19 Слайд 22

Возврат на Слайд 2

Получения МДКМ методами порошковой металлургии

1. Подготовка исходных порошков (отжиг, очистка, сортировка по фракциям).

2. Смешивание:

Механическое - является наиболее простым и дешевым способом получения смесей с

одновременным смешиванием и размолом составляющих. Для смешивания используют

различные шаровые, вихревые, конусные и т.п. мельницы. Выбор оборудования зависит

от дисперсности частиц порошков, длительности смешивания и степени загрязнения

порошков посторонними примесями;

Поверхностное окисление, например, при изготовлении САПов;

Химическое осаждение из растворов (позволяет добиться равномерного

распределения компонентов);

Водородное восстановление (позволяет получать смеси высокой степени чистоты);

Термическое восстановление солей.

3. Формование заготовок.

4. Спекание.

5. Обработка давлением (удаления остаточной пористости прессованием, прокаткой...)

6. Термообработка (в случае необходимости).

19

Слайд 20

Слайд 21

Слайд 18

Методы формования металлических порошков

20

Слайд 19

Спекание – одна из наиболее ответственных технологических процедур, в результате

которой «малопрочные» заготовки преобразуются в прочные спеченные тела, прибли-

жающиеся и/или превосходящие по своим свойствам литые аналоги. В ходе спекания

из заготовки:

─ удаляются адсорбированные в них газы,

─ возгоняются нежелательные примеси,

─ снимаются остаточные напряжения в частицах и точках контакта между ними,

─ устраняются оксидные пленки,

─ происходит диффузионное преобразование поверхностного слоя,

─ качественно преобразуется форма пор. .

Спекание осуществляется двумя способами:

21

Твёрдофазное спекание,

когда по мере нагрева заготовок не

образуется жидкий расплав одного из

компонентов композита

Жидкофазное спекание,

когда в ходе повышения температу-

ры нагрева заготовок наиболее легко-

плавкий компонент начинает перехо-

дить в жидкое агрегатное состояние,

т.е. плавиться

Слайд 19

Пример жидкофазного процесса получения дисперсно-

упрочненных металлокомпозитов.

22

Схема изготовления МКМ Al-SiC:

1 – печь сопротивления;

2 – тигель с расплавом;

3 – электронная мешалка;

4 – лопастной замешиватель;

5 – держатель;

6 – тахометр;

7 – вибропитатель.

Плюсы и минусы жидкофазных методов получения МДКМ путём

механического замешивания дискретных частиц в металлические

матричные расплавы :

Достоинства :

высокая технологичность;

низкий уровень затрат.

Недостатки:

сильное газонасыщение и окисление матричного расплава в процессе

активного механического перемешивания;

Недостаточное качество адгезионных связей по поверхности раздела

«частица – матричный состав.

Направления повышения качества МДКМ, получаемых

жидкофазными методами:

использование дополнительных внешних факторов: давления,

ультразвука, центробежных сил, электромагнитных полей и так

далее.

23 СЛАЙД 18

Особенности обработки МДКМ

24

25

Особенности обработки МДКМ

• Обрабатываемость МДКМ зависит от вида матрицы и наполнителя, а также

соотношения их объемных долей. Поэтому каждый тип МДКМ должен

исследоваться на обрабатываемость разными видами обработки.

• Общей тенденцией является то, что с увеличением объемной доли

наполнителя ухудшаются литейные свойства, обрабатываемость давлением,

обрабатываемость резанием и свариваемость.

• Рассмотрим зависимость обрабатываемости МДКМ от степени наполнения

частицами на примере алюмоматричных МДКМ:

При проведении стандартных испытаний (ГОСТ 16438-70) для расплавов МДКМ уста-

новлено, что жидкотекучесть с увеличением содержания частиц в сплаве снижается.

Значение усадки при введении керамических частиц до 5% по объему изменяется незна-

чительно (0,9-1%), а при превышении 10% наблюдается заметное (до 0,5%) снижение

показателей усадки.

При дуговой сварке неплавящимся электродом для МДКМ установлена возможность

сохранения в сварном шве армирующего наполнителя, удовлетворительного формиро-

вания сварного шва и отсутствия грубых макродефектов. Причем МДКМ обнаружива-

ют лучшую стойкость к образованию горячих трещин, чем материалы матриц.

26

Особенности обработки МДКМ /Продолжение 1/

Обрабатываемость давлением исследовалась в условиях осадки, прокатки и ковки.

Данные по допустимым степеням деформации показывают, что МДКМ обладают

удовлетворительными пластичными свойствами для их обработки давлением при

комнатной температуре и хорошими пластичными свойствами для их обработки

давлением в условиях горячей деформации.

При исследовании обрабатываемости резанием установлено:

‒ при черновой и чистовой обработке необходимо применение только твердосплавного и

алмазного инструмента. При черновой и чистовой обработке рекомендуются инстру-

ментальные материалы марок ВК8, ВК6, ВК2, ВК3, Т30К4, ВК6-М, ВК3-М, а при тон-

кой чистовой обработке алмазные резцы.

‒ рекомендуется применение смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), например, при-

менение состава: олеиновой кислоты – 7%; канифоли – 10%;масла индустриального –

73%; каустика – 4,2%; спирта денатурата – 3,4%; остальное вода – для чернового и

чистового точения или: смеси сурепного (30%) и вазелинового (70%) масел для тонкого

точения предотвращает образование нароста на резце и повышает период его стой-

кости.

ТАКИМ ОБРАЗОМ, ДЕТАЛИ ИЗ ДМКМ МОГУТ БЫТЬ ИЗГОТОВЛЕНЫ

ЛИТЬЕМ, МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ, СВАРКОЙ, ОБРАБОТКОЙ

ДАВЛЕНИЕМ И НАПЫЛЕНИЕМ.

Слайд 27

СЛАЙД 2

27

Обработка ДУ КМ /Продолжение 2/

Материал Вид деформирования и обработки Деформация, %

АМг1+2,5%SiC3 Прокатка образцов толщиной 2мм при

комнатной температуре в вальцах RW

15

АМг1+ 5% SiC28 11

АМг1+2,5%SiC3 Прокатка с предварительным подогревом до

3000С 42,5

АМг1+2,5%SiC3 Прокатка в 2 прохода с предварительным и

промежуточным подогревом до 3000С 57

Д16+15%SiC28

Осадка согласно ГОСТ 8817-57

(цилиндры, диаметр 10 мм, высота 10 мм)

23,5

В124+10%SiC40 28

АЛ25+2,5%SiC3 20

АЛ25+5,6%SiC28 24

АЛ25+2,5%SiC3, двойной переплав

28

СЛАЙД 18

Особенности структуры и

механизмов распространения

трещин в дисперсно-

наполненных полимерных

композитах /ПДКМ/

28

Важной особенностью структуры нульмерно-наполненных

ПКМ является наличие межфазного слоя /МФС/, которым

принято называть определенный объем полимерной матрицы, прилегающей

непосредственно к границе раздела полимер-наполнитель и имеющего структуру

и свойства, отличающиеся от таковых в объеме.

29

1. Граничный слой раздела фаз

является наиболее слабым

местом, в котором начинается

разрушение материала.

2. Сложная структура МФС с

наличием в ней дефектов

приводит к тому, что при

разрушении ПКМ трещины

проходят по МФС или по

матрице вблизи частицы.

3. Только при очень слабом

адгезионном взаимодействии

происходит отслоение матрицы

от частицы точно по границе

контакта компонентов.

Разница в коэффициентах термического расширения /КЛТР/ и

модулях упругости компонентов приводит к возникновению

напряжений на границе полимерная матрица – частица:

1. При формировании ПКМ любым методом нагрев сопровождается

охлаждением. Разница в КТР компонентов композита приводит к

возникновению значительных термоусадочных напряжений,

ослабляющих материал.

2. Частицы, вводимые в полимер, имеют мо-

дуль упругости, отличный от модуля мат-

рицы (как для твердых, так для газообраз-

ных), поэтому при растяжении ПКМ возни-

кают дополнительные напряжения. При

Еф>Ем на вершине частицы (а), а для газо-

вого включения в «боковых» точках (б). Это

значит, что перенапряжение даже для сфери-

ческой частицы в 1,5 раза больше среднего

напряжения. Наличие перенапряжений на границе между частицей и

матрицей может приводить к образованию трещины и её росту.

30

ox a

b

16

9

16

15

Механизм распространения трещины зависит от прочности

связи в межфазном слое полимерная матрица - наполнитель:

• При большой прочности связи в МФС полимер-

наполнитель, встретившись с твердой частицей,

Может либо обогнуть её (в), либо разрушить (а). В первом случае

существенно искривится путь трещины, а во втором трещина пройдет

через частицу с большей энергией поверхности разрушения. В обоих

случаях должна возрасти прочность ПКМ.

• Распространение трещины может приостановиться или

прекратиться при встрече с ослабленным МФС.

При малой прочности связи в МФС полимер-наполнитель

в случае встречи трещины с ослабленной зоной у твердой

частицы может произойти быстрая релаксация перенапря-

жений в вершине трещины за счет облегченной деформации

полимера в МФС или за счет отслоения матрицы от частицы.

Формула Гриффита:

31

2/1

0

2

l

Ep

где: Е – модуль упругости материала;

l0 – длина микродефекта, от которого начала расти трещина;

α – энергия вновь образуемой поверхности.

СЛАЙД 2

Размер и форма дисперсных частиц в ПКМ

• Размер частиц дисперсной фазы может изменяться в широких пределах.

Например, высокодисперсный наполнитель – аэросил (SiO2) имеет размер

частиц около 0,01 мкм, а наиболее крупный – полые микросферы – 20-130

мкм.

• С уменьшением размера частиц резко возраста-

ет общая поверхность их раздела, увеличивает-

ся число частиц в единице объема и становит-

ся меньше расстояние между частицами.

• Увеличение удельной поверхности приводит

к росту объема полимера, образующего МФС,

даже при неизменной его толщине. То есть увеличению модифицированного полимера- матрицы. В аэросиле удельная поверхность достигает 300 м2/г, и наполнитель обладает высокой адсорбционной способностью.

32

Зависимость ср. расстояния

между частицами (а) от объ-

ёмной доли наполнителя (φ)

и размера частиц (цифры у кри-

вых, мкм)

Влияние размера частиц на прочность ПКМ

• При деформировании материала частицы наполнителя являются источниками дефектов и трещин в полимере. Микроскопические исследования показы-вают, что размер трещин и отслоений в ПКМ пропорционален размеру частиц.

• Если размеры частиц наполнителя меньше критического размера, то не вызывают разрушения материала. Эксперимент показывает, что критичес-кий размер наполнителя лежит в пределах нескольких сотен нанометров (рис).

• Приведенные закономерности упрочнения полимеров справедливы до определенной степени наполнения (смотри следующий слайд).

33

Размер частиц, нм

σ р.н. / σр.о.

Зависимость прочности ПДКМ от относительной степени

наполнения матрицы частицами наполнителя.

• При наличии прочной связи на границе

раздела матрица-наполнитель, когда

матрица не является хрупкой, прочность

увеличивается с ростом содержания

наполнителя (φ) – кривая 1.

• При увеличении φ до 0,2-0,3

перенапряженные области вокруг

частиц перекрываются, что облегчает

разрастание трещин, и прочность резко

снижается.

• Прочность на сжатие ПКМ заметно

снижается лишь при φ→φmax, когда

возрастает пористость.

34

Зависимость относительной проч-

ности ПКМ и матричного полиме-

ра от степени наполнения части-

цами (1 – частично кристаллический поли-

мер при Т>Тс; 2 – то же, но с крупными части-

цами; 3 – стеклообразный полимер (Т<Тс);

4 – то же, но с крупными частицами.

Зависимость модуля упругости ПКМ от содержания наполнителя.

• Если исходить из правила смеси, то модуль упругости ПКМ с ростом содержания /φ/ высоко-модульного наполнителя увеличивается (кривая 1).

• При φ=20-30%, когда расстояние между час-тицами становится меньше диаметра и растет вероятность их непосредственного контакта, модуль ПКМ начинает быстро увеличиваться.

• При φ=30-70% происходит обращение фаз и второй компонент образует вторую непрерыв-ную фазу, а при φ>70-80% структура полимера соответствует обращенной дисперсии, то есть уже частицы первого компонента находятся в матричном материале из второго компонента.

• Кривая 2 показывает рост модуля G с ростом содержания недеформируемых сферических частиц в интервале 0→φmax.

• Для ПКМ с относительно мягким, податливым наполнителем модуль упругости будет падать с ростом содержания наполнителя.

• Вязкость ПКМ часто ведет себя аналогично модулю упругости.

35

Зависимость относительного

модуля упругости G/Gм от со-

держания наполнителя φ:

1 – без учета предельной

упаковки частиц;

2 – с учетом наличия предель-

ной упаковки частиц φmax.

Заключительные положения о прочностных свойствах ПКМ с

нульмерными наполнителями:

• Повышение прочностных свойств ПКМ возможно только при использовании высокодисперсных наполнителей «критического» размера. При этом степень упрочнения зависит от физического состояния матрицы: наибольшее упрочнение (в 5-10 раз) наблюдается для сшитых полимеров,

находящихся в высокоэластичном состоянии; в меньшей степени (в 1,2-2 раза) усиливаются стеклообразные и кристаллические

полимеры.

• Основные причины упрочнения ПКМ высокодисперсными частицами: затраты внешней энергии на образование большого числа микротрещин около

частиц наполнителя; ограничение роста микротрещин и их ветвление при встрече с частицами; повышение модуля упругости матрицы из-за ограничения подвижности части

адсорбированных на наполнителе молекул.

• Влияние прочности связи полимер-наполнитель существенно отличается для высокодисперсных и крупных наполнителей: для крупных частиц отслоения, возникающие при низкой прочности соединения

компонентов ПКМ вызывают резкое падение прочности композита; для высокодисперсных частиц отслоения, возникающие при низкой прочности

соединения компонентов не так резко влияют на снижение прочности композита. Также наблюдается снижение прочности ПКМ при высокой адгезии компонентов композита. Наибольшая прочность соответствует оптимальному (промежуточному) значению прочности связи между полимером и наполнителем.

36 СЛАЙД 2

Цели применения нульмерно наполненных ПКМ:

• Придание полимерам эксплуатационных свойств, которыми они не

обладают:

тепло- и электропроводности;

прочности и жесткости;

фрикционных и антифрикционных свойств;

пониженной горючести и т.д.

• Улучшение технологических свойств и перерабатываемости:

повышение или снижение текучести;

улучшение формоустойчивости;

снижение усадки и т.д.

• Снижение стоимости материала, утилизация

отходов и решение экологических задач.

• Проведение ремонтных работ.

37

Слайд 38

Продолжение Слайд 42

Слайд 40

Слайд 41

ПРИМЕРЫ ПКМ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ

НА ОСНОВЕ НАПОЛНИТЕЛЕЙ РАЗНОЙ ПРИРОДЫ

38

М А Т Е Р И А Л Ы Н А П О Л Н И Т Е Л И

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ

Слюда, тальк, молотый кварц,

асбест, карбонат кальция, оксид

алюминия, стекловолокно …

АНТИФРИКЦИОННЫЕ Графит, дисульфид молибдена,

нитрат бора, фторопласт

ТЕПЛО-, ЖАРОСТОЙКИЕ Асбест, кокс, графит, углеродные

волокна …

ХИМИЧЕСКИ СТОЙКИЕ Графит, фторопласт, технический

углерод, асбест, тальк …

ТЕПЛО-,

ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЕ

Графит, технический углерод,

углеродные волокна, порошки

металлов

ПРИМЕР ПКМ С УЛУЧШЕННЫМИ

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ

• Примером являются термопласты, наполненные короткими стеклян-

ными волокнами. Рыночная стоимость стеклянных волокон выше

стоимости пластмасс общего назначения и большинства

конструкционных пластиков. С учетом дополнительной стоимости

аппретов модификаторов, а также затрат на компаундирование цена

ПКМ оказывается в 1,5-2 раза выше цены полимера.

• Однако стеклонаполненные термопласты имеют:

имеют выше (1,5-2 раза ) прочностные свойства и жесткость;

деформационная теплостойкость полукристаллических матриц

возрастает до Тпл;

увеличивается стабильность размеров;

снижается ползучесть под нагрузкой.

• Благодаря новому комплексу свойств эти материалы становятся

экономически эффективны при более высокой стоимости, заменяя

металл и другие конструкционные материалы.

39

Слайд 37

ПРИМЕРЫ СНИЖЕНИЯ СТОИМОСТИ МАТЕРИАЛА

• Примером эффективного снижения стоимости материала является использование ПКМ на основе поливинилхлорида /ПВХ/, наполненного карбонатом кальция (мелом). Вследствие высокой плотности ПВХ (1400 кг/м3) объемная доля наполнителя при введении 20-25% по массе обеспечивает значительную экономию полимера и снижение стоимости ПКМ. Дополнительные издержки на подготовку и дозирование наполнителя в смесительную аппаратуру минимальны. Вследствие этого, практически весь кабельный пластификат на основе ПВХ в мировой практике производится наполненным.

• Подобная ситуация характерна для большинства реактопластов, например, для фенопластов и полиэфирных смол.

• Качественно другая ситуация для более легких полимеров (полистирол, полиамид, полиолефин). Объемная доля наполнения (при введении 20-30% по массе тяжелых минеральных наполнителей) составляет 12-17% и экономия полимера не компенсирует затраты на введение даже самых дешевых наполнителей. В этом случае решающее значение приобретает выигрыш в технологических и потребительских свойствах ПКМ.

40 Слайд 37

Полимеры наполненные металлическими частицами для проведения

быстрых, долгосрочных и экономичных ремонтов

• Это двухкомпонентные системы эпоксидных смол, которые после

нанесения отвердевают практически без сокращения в объёме.

Твердый материал может подвергаться механической обработке, и

тем самым пригоден для разносторонних применений.

Наполнители, такие как алюминий, сталь, медь или минералы,

определяют технические качества металлополимера;

• Существуют разные типы металлополимеров отличающихся по

вязкости, температуроустойчивости и износостойкости.

• Все типы металлополимеров отличаются превосходной

стойкостью к агрессивным средам.

• Преимущества металлополимеров:

Восстановление деталей практически из любых материалов;

Отсутствие тепловых и монтажных напряжений после ремонта;

Возможность устранения дефектов без разборки и демонтажа изделий.

41

Слайд 37

Перспективы развития новых наполненных ПКМ

связаны с разработкой новых наполнителей!

• В России, несмотря на большие запасы минерального сырья, производство

качественных наполнителей налажено в недостаточных количествах. К

дефицитным относятся наиболее распространенные наполнители: карбонат

кальция тальк, каолин. Ограниченно выпускаются имеют многие

наполнители: слюда, гидрат окиси алюминия, стеклосферы …

• Слабо развито производство дешевых наполнителей (древесной и известковой

муки, золы тепловых электростанций, фосфошлаков, шламов и т.д.). До сих пор не

внедрены технологии получения наполнителей, разработанные еще в СССР. Например, упруго деформационная технология измельчения органических материалов

под давлением и сдвига (конкурент американской криогенной технологии).

• В мире постоянно появляются новые виды наполнителей для ПКМ,

расширяющих области их использования: Металлизированные стеклянные волокна и слюда, пригодные для создание

электропроводных ПКМ;

Быстро кристаллизующиеся алюминиевые чешуйки (1000х1000х30 мкм), которые

эффективны для создания теплопроводных ПКМ

Тонкие (8 мкм) волокна из нержавеющей стали, применение которых (менее 7% по

объему) обеспечивает хорошую проводимость при сохранении исходных свойств

полимера и т.д.

42 СЛАЙД 2

Оборудование

и

технологии получения

ПДКМ

43

В основе получения большинства ПДКМ лежит процесс СМЕШЕНИЯ ─

механический процесс распределения исходных компонентов (матрицы

и наполнителя) по всему объему системы.

Основные этапы получения ПДКМ смешением:

1. Подготовка компонентов к смешению:

• Сушка полимерной матрицы();

• Введение необходимых добавок;

• Рассев (классификация или распределение по размерам);

• Обработка поверхности наполнителя для усиления адгезии с матриицей.

2. Смешение компонентов композита:

• Простое или диспергирующее (с измельчением частиц компонентов);

• Твёрдофазное или жидкофазное;

• Периодическое или непрерывное (с непрерывной выгрузкой ПДКМ).

3. Гранулирование или получение прутков, нитей и т.д.

44 СЛАЙД 2

Пример технологии получения ПДКМ

Пример типовых технологий получения ПДКМ

45

Вариант 1: 1- трубопровод подачи компонентов; 2- смеситель; 3-промежуточныей бункер;

4- дозатор; 5- двухчервячный экструдер; 11- охлаждающая ванна; 12- тянущее устройство;

13- резак гранул заданного размера; 14- вибросито; 15- бункеры силосы; 16- загрузка мешков.

Вариант 2: 7- промежуточный бункер;

6- весовой дозатор.

Вариант 3: 9- приспособление резки волокна;

8- промежуточный бункер; 6- весовой дозатор

Вариант 4: 10- подача

непрерывного волокна

Слайд 44

Особенности обработки

ПДКМ

46

47

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ

ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ ПОЛИМЕРОВ

ФОРМОВАНИЕ

КАЛАНДРОВАНИЕ (ПРОКАТКА РАСПЛАВА)

ОБРАБОТКА

РЕЗАНИЕМ ПРЕССОВАНИЕ

ЛИТЬЁ

НАПЫЛЕНИЕ ВЫДУВАНИЕ СПЕКАНИЕ

СВАРКА

ТЕРМООБРАБОТКА

3Д - ПЕЧАТЬ СЛАЙД 2

48