История и причины создания композиционных материалов

Общепризнанно, что уровень развития техники в значительной степени определяется наличием необходимых материалов. Наиболее наглядно это можно проследить на примере развития древних цивилизаций, когда изобретение или создание нового прогрессивного материала становилось толчком к развитию техники и цивилизации. Недаром технический уровень развития цивилизации характеризуют видом материала, позволявшего создавать в свое время наиболее передовые орудия и средства производства. Так были каменный век, бронзовый век, железный век. Настоящее время многие ученые называют «век композиционных материалов».

Но композиционные материалы зародились не в настоящее время, человек использовал их еще в древние времена. Так, даже самые первые кирпичи и гончарные изделия, появившиеся за 5000 лет до н. э. содержали измельченные камни или армирующую солому. Древние гончары регулировали даже пористость своих изделий. Упоминание о таких материалах содержится в Библии. Бурное развитие науки в Египте в 3000 - 2500 годах до н.э. дало людям египетские лодки (речные суда из тростника, пропитанного битумом), папирус (пропитанные смолой и спрессованные листы тростника), искусство мумифицирования (первый пример ленточной намотки - тело обматывали лентами из ткани и пропитывали природными смолами с образованием жесткого кокона). За 1000 лет до н. э. ассирийцы изготавливали понтонные мосты, используя плетеные лодки (гуфасы), пропитанные водостойкими битумами. В Индии использовали точильные камни из песка и природного лака - шеллака. Вся история развития человечества связана с изобретением тех или иных композиционных материалов. В начале первого тысячелетия римляне изобрели бетон, сыгравший грандиозную роль в строительстве и развитии цивилизации. В прошлом веке были изобретены такие ПКМ как резина и пресс-материал на основе фенолформальдегидной смолы.

Таким образом, начало технологии композиционных материалов уходит в античные времена, но именно настоящее время называют «веком КМ». Действительно, в настоящее время доля ПКМ среди потребляемых материалов как никогда велика и с каждым годом растет. Так, в 1996 году Финляндия и ФРГ за год потребляли на душу населения около 100 кг полимерных композитов, в США - около 70 кг, в Японии - около 55 кг, в России – 15 кг. В странах третьего мира потребление ПКМ на душу населения не превышало 2 кг. Мировое производство пластмасс, основного составляющего ПКМ, достигает 80 млн. тонн. США производит 1/4 часть пластмасс в мире, ФРГ и Япония - по 1/8.

Давайте посмотрим, почему так получилось, что роль КМ в нашем мире с каждым годом возрастает?

Настоящее время отличается высокими темпами научно-технического прогресса. Бурное развитие современной техники требует все новых материалов с заранее заданными свойствами. Требуются материалы со сверхвысокой прочностью, твердостью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, другими характеристиками и совместным сочетанием этих свойств. Вместе с тем, в настоящее время известны сотни тысяч различных некомпозиционных природных и искусственных материалов, которые уже не отвечают возрастающим требованиям. При этом открытие принципиально новых материалов происходит крайне редко. Это свидетельствует о том, что подавляющее большинство «простых» (некомпозиционных) материалов уже открыто, и ждать в этом направлении больших достижений не приходится. Но научно-технический прогресс не останавливается и требует новых материалов. Поэтому основное и долгосрочное направление в разработке новых материалов сейчас состоит в создании материалов путем соединения различных уже известных материалов, то есть - в получении композиционных материалов (КМ).

Аналогичная ситуация имеет место в области полимерного материаловедения – требуются полимерные материалы с новыми свойствами, но создание и освоение выпуска новых полимеров практически не происходит.

Поэтому модификация известных полимеров и комбинирование полимеров с различными веществами и между собой является сегодня одним из основных способов создания новых полимерных материалов.

Итак, основная причина столь бурного развития полимерных композиционных материалов – это то, что традиционные «чистые» полимеры в значительной степени исчерпали свои возможности, а научно-технический прогресс требует материалы с новыми свойствами.

Понятно, что с ускорением научно-технического прогресса композиционные материалы занимали и занимают все большее место среди прочих материалов.

Существует ряд преимуществ ПКМ над традиционными видами материалов (металлов, керамики, дерева и т.п.):

1) уникальное сочетание свойств, нехарактерное для других материалов (прочностных, деформационных, ударных, упругостных, температурных, реологических, адгезионных, электрических, фрикционных, теплопроводных и других);

2) возможность управления свойствами ПКМ путем простого изменения состава и условий получения;

3) сохранение основных достоинств полимеров:

- сравнительная легкость переработки;

- низкая плотность.

Главное из преимуществ ПКМ по сравнению с традиционными материалами – это уникальное сочетание свойств. Как правило, композиционные материалы не являются "чемпионами" по отдельно взятому свойству. Но по сочетанию определенных свойств им нет равных. Например, резина не имеет такой прочности как металлы. Резина обладает высокой способностью к обратимой деформации, но каучук может развивать еще бóльшую деформацию, чем резина. Однако по сочетанию прочности со способностью к многократным обратимым деформациям резины превосходят все остальные материалы. Можно привести другой пример. Стеклопластики или углепластики не самые прочные материалы в мире, и они далеко не самые легкие, но превосходят все другие материалы по сочетанию прочности и легкости, которая характеризуется отношением прочности к плотности материала и называется удельной прочностью.

Итак, причины столь бурного развития КМ ясны. Но возникает другой вопрос, а зачем нужна наука о композиционных материалах? Давайте разберемся в этом.

Сама по себе идея получения новых материалов путем смешения известных кажется, на первый взгляд, достаточно простой и очевидной. Например, требуется материал, сочетающий в себе свойства двух других известных материалов, следовательно, надо соединить два эти материала в один и получится то, что требуется. Такая идея проста, и приходила в голову многим ученым, и ее тысячи раз пробовали осуществить. Но положительный результат получался далеко не всегда. Все оказалось не так просто, как кажется на первый взгляд. Дело в том, что смешение двух материалов не приводит к простому сложению их свойств. Свойства многокомпонентных материалов, как правило, очень сложно зависят от состава и условий их получения. Поэтому для успешного развития композиционных материалов необходимо иметь ответы на вопросы: почему свойства материала изменяются таким, а не другим образом? Какими свойствами будет обладать материал, сочетающий в себе данные вещества? Соединение каких веществ даст требуемое сочетание свойств? А для этого нужна наука о композиционных материалах. И такая наука возникла в середине ХХ века.

Некоторые факты из истории. Зарождение науки о ПКМ относят к 50-м годам. В середине 50-х годов ВВС США решили применить в авиастроении новый класс материалов - композиты на основе новых видов волокон с высокими прочностными и упругими характеристиками - борных и углеродных. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и ВВС США фактически явились кураторами исследовательской и технологических программ в области создания композитов. Это послужило причиной быстрого развития науки о композиционных материалах или композитах, возникшей на стыке различных областей знаний. В короткие сроки были получены совершенно новые материалы с необходимым комплексом свойств, разработаны технологии их производства и методы их расчета.

Передовые в техническом плане отрасли промышленности, такие как ракетостроение, авиастроение, автостроение, являются лидерами в потреблении композиционных материалов.

Несмотря на успехи в области полимерных композиционных материалов, закономерности, определяющие связь состава и условий получения композиционных материалов с их структурой и свойствами, оказались настолько сложными, что очень многие из них до сих пор не ясны. В результате, в настоящее время практические достижения в области разработки композиционных полимерных материалов значительно опережают их теоретическую интерпретацию. Но несомненно, что будущее композиционных материалов за научно обоснованным подходом. Поэтому необходимо расширение и углубление наших знаний в области ПКМ.

В данном учебном пособии будут затронуты лишь наиболее значимые практические и теоретические достижения в области полимерного композиционного материалостроения.

Определение ПКМ

Для того, чтобы рассуждать о ПКМ, прежде всего, необходимо определить, что понимается под полимерными композиционными материалами. Однако точного и однозначного определения композиционного материала пока не дано. Дело в том, что среди ученых нет единого мнения, что считать композиционным материалом, а что – нет. Кроме того, из-за огромного разнообразия и множества КМ трудно в одной фразе выделить все признаки, объединяющие композиционный материал и отделяющие его от всех других материалов. Наиболее приемлемым является следующее определение.

Композиционными называются материалы, образованные объемным сочетанием двух или большего числа химически разнородных компонентов с четкой границей между ними.

По своей структуре композиционный материал можно представить состоящим из нескольких фаз: одной непрерывной фазы (матрицы) и одной или более дисперсных фаз, или состоящим из двух или более непрерывных фаз с возможными дисперсными фазами в каждой непрерывной фазе.

Композиционный материал, непрерывная фаза которого образована полимером, называют полимерным композиционным материалом.

Следует уточнить некоторые термины. В композиционных материалах дисперсионную среду (непрерывную фазу) называют матрицей или связующим, а дисперсную фазу – наполнителем или диспергированным веществом.

Помимо полимера ПКМ обычно содержит пигменты, пластификаторы, стабилизаторы, смазывающие вещества, газообразователи и другие полимеры и наполнители.

Но как уже отмечалось, это определение нельзя назвать полным и однозначным. Имеются материалы, которые не попадают под это определение, но которые традиционно относят к композиционным. Например, пластифицированные полимеры все считают композиционным материалом, в то же время между его компонентами (полимером и пластификатором) нет четкой границы раздела.

Поэтому необходимо перечислить основные виды ПКМ:

- полимеры, содержащие любые твердые частицы или волокна;

- смеси полимеров;

- полимеры, содержащие жидкости в виде включений или пластификаторов;

- полимеры, содержащие газообразные наполнители;

Кроме того, необходимо отделять композиционный материал от композиционной конструкции. Композиционный материал предназначен для изготовления деталей, а композиционная конструкция состоит из готовых деталей, сделанных из разнородных материалов.

Давайте посмотрим, какие ПКМ окружают нас? Это все резины, поскольку это каучук, содержащий усиливающий высокодисперсный наполнитель (технический углерод или оксид кремния). К ПКМ относятся все красочные эмалевые покрытия, поскольку представляют собой полимер, содержащий твердые порошкообразные пигменты и наполнители. Это древесностружечные и древесноволокнистые плиты, в которых стружки или древесные волокна связаны термореактивным полимером. Это линолеум и искусственная кожа, поскольку состоят из полимерного связующего, пластификатора и дисперсных наполнителей. Это стеклопластики, состоящие из стеклянных волокон, связанных полимером. Это ударопрочный полистирол, состоящий из полистирола с включениями частиц каучука. Подавляющее число окружающих нас изделий сделано не из "чистых" полимеров, а из ПКМ. Этот перечень можно еще долго продолжать, поскольку ПКМ буквально окружают нас всюду.

Классификация ПКМ

Для лучшего понимания и усвоения материала по полимерным композиционным материалам необходимо их классифицировать.

Существует несколько видов классификации ПКМ, в основу которых положены различные признаки. Однако из-за многообразия ПКМ и способов получения единой их классификации не существует. Так как все ПКМ состоят из полимерной матрицы и содержат наполнитель, то можно провести классификацию по агрегатному состоянию и геометрической форме наполнителя. Такая классификация (рис. 1.1) наиболее предпочтительна и с позиции изучения полимерных композиционных материалов.

Согласно этой классификации (рис. 1.1), наполнители в полимерной матрице могут находиться в твердом, жидком, и газообразном состояниях, и как особый вид состояния наполнителя можно выделить полимерное состояние. Геометрическая форма наполнителя оказывает огромное влияние на свойства ПКМ. Поэтому, используя наполнитель различной формы, или изменяя форму наполнителя путем модифицирования условий получения, можно в широких пределах регулировать многие свойства ПКМ.

Твердые наполнители вводят в полимер для самых различных целей. В большом числе случаев эти наполнители вводят для повышения прочности полимеров. Такое действие наполнителей на полимеры обычно называют усилением. Дисперсными наполнителями усиливают в основном эластомеры, и получают при этом резины.

Одной из важнейших целей введения твердых дисперсных наполнителей является удешевление полимеров. Для этого в полимер вводят большое количество дешевого наполнителя.

Кроме того, большое количество композиций содержит дисперсный наполнитель для придания полимерам самых разнообразных специальных (специфических) свойств. Сюда можно отнести придание полимерам нужного цвета, повышение липкости к металлам и другим веществам, придание электропроводности, улучшение теплопроводности, защита от ультрафиолетового излучения, снижение или повышение коэффициента трения, снижение горючести и регулирование многих других свойств полимеров.

 

 

Рис. 1.1 Классификация ПКМ по агрегатному состоянию и геометрической форме наполнителя и применение ПКМ

 

 

Теплоизоляция, звукоизоляция, упаковка, мягкая мебель

Усиление

Усиление

Удешевление (высоконаполненные полимеры)

Придание специфических свойств

Жесткие

Изолированные поры (пены)

Мягкие

Непрерывные поры (губки)

Растворимые жидкости

Капсулированные жидкости

Ориентированные волокна

Беспорядочно расположенные

Непрерывные волокна

Короткие волокна

Газообразные наполнители

Волокнистые

Пластинчатые

Дисперсные

Жидкие наполнители

Смеси полимеров

Гетерогенные

Гомогенные

Твердые наполнители

 

 

	Одноосно ориентированные		Многоосно ориентированные

 

 

Применение волокнистых и пластинчатых наполнителей позволяет во много раз повысить прочность полимеров. Волокнистые и пластинчатые наполнители используют чаще для усиления жестких реактопластов (стеклопластики, углепластики, прессовочные композиции), и значительно реже - для усиления термопластов и эластомеров.

Смешение полимеров используют, прежде всего, для расширения ассортимента полимерных материалов и для придания им нужных свойств. Например, для придания хрупким полумерам повышенной ударной вязкости и морозостойкости, для получения смесевых термоэластопластов, для удешевления дорогостоящих полимеров, для снижения усадки и для многих других целей.

Введение низкомолекулярных жидкостей в полимеры применяется в основном для пластификации полимеров (снижения температуры стеклования и текучести полимеров).

Пенопласты нашли в настоящее время очень широкое применение. Это звуко- и теплоизоляция, упаковка изделий, чувствительных к ударам и вибрации, изготовление всевозможных мягких изделий (игрушки, мебель, сиденья) и т.д.

Литература

1. Промышленные полимерные композиционные материалы: Пер. с англ. / Под ред. М. Ричардсона. - М.: Химия, 1980. - 472 с.

2. Менсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты. М.: Химия, 1979. – 440 с.

3. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1. / Под ред. Дж. Любина: Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1988. - 448 с.

4. Принципы создания композиционных полимерных материалов / А.А. Берлин и др. - М.: Химия, 1990.- 240 с.

5. Наполнители для полимерных композиционных материалов /Под ред. Г.С.Каца и Д.В.Милевски. – М.: Химия, 1081. – 736 с.

6. Т. Фудзии, М. Дзако. Механика разрушения композиционных материалов: Пер. с японского. - М.: Мир, 1982. - 232 с.