Материал: Методические указания к практическим занятиям по курсу «Перспективы развития композиционных материалов» для студентов направления «Техническая физика». Калинин Ю.Е., Косилов А.Т
ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический
университет"
Кафедра физики твердого тела
Методические указания
к практическим занятиям
по курсу «Перспективы развития композиционных
материалов» для студентов направления 16.03.01
«Техническая физика» (профиль «Физическая электроника»)
очной формы обучения
Воронеж 2014
Составитель д-р физ.-мат. наук Ю.Е. Калинин
УДК 539.67, 548:537.621
Методические указания к практическим занятиям по курсу «Перспективы развития композиционных материалов» для студентов направления 16.03.01 «Техническая физика» (профиль «Физическая электроника») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Ю.Е. Калинин. Воронеж, 2014. 35 с.
В методических указаниях приводятся краткие теоретические сведения и вопросы для практических (семинарских) занятий.
Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле МП(ПРКМ).doc.
Предназначены для студентов третьего курса.
Ил. 2. Библиогр.: 6 назв.
Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. А.Т. Косилов
Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014
Введение в функциональные композиционные материалы
Создание новых материалов и технологий – несомненный приоритет технически развитых стран, имеющий высокий экономический, политический и социальный резонанс, и приносящий огромные дивиденды глобальному научно-техническому прогрессу. Тенденции развития современного материаловедения – это удивительный, но пока еще не совсем оптимальный, многокомпонентный сплав направлений развития века прошлого и века наступившего. Значительная часть фактических знаний, составляющих основу неорганической химии, т.е. химии элементов и образуемых ими простых и сложных веществ, была накоплена достаточно давно, однако во второй половине XX века неорганическая химия оказалась в тени фантастических достижений органической химии и химии живых систем. Прогресс в электронике, фотонике, сенсорике и спинтронике, немыслимый без создания новых поколений функциональных материалов, привел к своего рода ренессансу неорганической химии, наблюдаемому последние 10 – 15 лет.
Большое значение в области неорганического материаловедения имеют твердофазные электролиты и электродные материалы (топливные ячейки, источники тока, сенсоры в кардиохирургии, электрическом транспорте, сотовой связи), новые оптоволоконные стекла, материалы на основе нитрида кремния, высокотемпературные сверхпроводники, материалы со сверхвысокими температурами плавления, наноматериалы, сверхтвердые композиционные материалы и другие.
Принципы, положенные в основу современных классификаций материалов, весьма разнообразны и зависят от того, с какой целью создается та или иная классификационная схема. Обычно материалы классифицируют по составу, формам существования, структуре, функциональным свойствам, а также областям применения. Наиболее общая классификация материалов включает их условное разделение на функциональные и конструкционные материалы.
Конструкционные материалы используются для создания разнообразных конструкций, включая высотные дома, пролеты мостов, трубопроводы, химические реакторы большой единичной мощности, машины, авиалайнеры, баллистические ракеты и т.д. С этой точки зрения наиболее важными являются механические и термические свойства конструкционных материалов, такие, как механическая и термическая прочность, износостойкость, упругость, коэффициент термического расширения и т.д. Отличительной особенностью многих конструкционных материалов является крупнотоннажность их производства и взаимозаменяемость, наглядно иллюстрируемая в историческом аспекте заменой специальных сортов стали в авиационной и автомобильной промышленности алюминиевыми, титановыми, магниевым сплавами, стеклопластиками и т.д. К конструкционным материалам электронной техники предъявляются аналогичные требования по их временной, температурной стабильности, механической прочности, стойкости к термоударам. Применение этих материалов обусловлено их конкретным назначением и свойствами.
Функциональные материалы – это материалы преимущественно с нелинейными физическими свойствами, такими как электрические, магнитные, оптические, «биологические», «квантовые», а также с самыми разнообразными комбинациями этих свойств. По составу современные твердофазные материалы исключительно разнообразны, поскольку при их создании используют практически все элементы периодической системы им. Д.И.Менделеева. В первую очередь, их можно разделить на материалы органической и неорганической природы, а также на металлические, неметаллические и композиционные материалы. Сочетание обоих типов компонентов – органических и
неорганических - дает гибридные многофункциональные материалы (если они состоят из одной фазы) или композитные материалы (состоящие из нескольких фаз). Таким образом, композиционные материалы состоят из двух или большего количества фаз с границами раздела между ними. Неорганические материалы, как правило, многокомпонентны, нестехиометричны и часто тоже состоят из нескольких фаз, образуя композиты. Даже если материал содержит один «макрокомпонент», то для улучшения свойств в него часто вводятся многочисленные
легирующие добавки, количество которых может достигать нескольких десятков. Композитные материалы являются симбиозом нескольких взаимодействующих фаз (фаз в строгом термодинамическом определении, а не одну единственную фазу, как,
например, в случае гибридных материалов).
Керметы и стеклокерамика – представляют собой типичные композитные материалы с уникальными свойствами. На рис. 1 приведены другие примеры композитных материалов – наноструктурированные системы (металл-содержащие мезопористые структуры на основе диоксида кремния, оксида алюминия, слоистых двойных гидроксидов), тонкопленочные гетероструктуры, стеклопластики, дисперсионно-упрочненная керамика. Все эти материалы обладают улучшенными механи-
Рис. 1. Классификация композиционных материалов по
формам существования
ческими и функциональными характеристиками, отличными от свойств материалов - «родителей».
Наиболее сложна классификация материалов по их функциональной принадлежности (рис. 2), поскольку функциональные свойства материалов весьма разнообразны и часто
взаимно коррелируют друг с другом. Биоматериалы и наноматериалы – примеры собственных обширных подклассов материалов. Специфическим классом «аналитических» материалов,
функционирование которых основано на разнообразнейших физических и физико-химических эффектах, являются сенсорные материалы, реагирующие на изменение магнитных, электрических полей, присутствие излучения, изменение температуры, а также химических свойств окружающей конденсированной или газовой среды.
Рис. 2. Классификация материалов по функциональным
свойствам
В большинстве случаев (рис. 2) материалы характеризуются только одним ярко выраженным свойством, превалирующим над остальными. При подобном подходе обычно выделяют свойства, которые связаны с наиболее изученными формами энергиями (или различными точками на единой шкале энергий) – движением электронов или других носителей заряда (ионов), магнитными взаимодействиями, электромагнитным излучением и термическими эффектами. Соответственно, существуют материалы с электрическими, магнитными, теплофизическими функциями, суперионики и оптические материалы. В связи с развитием атомной энергетики рассматриваемую схему можно было бы дополнить также материалами с ядерными функциями (ядерное горючее, защита от ионизирующих
излучений, замедлители нейтронов, хранение радиоактивных отходов).
Материалы с электрическими функциями исключительно многообразны по свойствам, но среди последних в первую очередь выделяют электропроводность, обусловленную движением электронов и обнаруживаемую, когда вещество находится в контакте с другими электронными проводниками. Диапазон изменения электропроводности материалов исключительно велик. Так, проводимость серебра отличается от проводимости кварца примерно на 20 порядков. Известно, что в металлах проводимость обусловлена движением свободных электронов, число которых соизмеримо с суммарным числом атомов в кристаллической решетке. Идеальная решетка не создает препятствий движению электронов и такие препятствия при комнатной и более высоких температурах возникают благодаря тепловым колебаниям атомов. В полупроводниках возникает запрещенная зона, что позволяет реализовать управление потоком электронов за счет контролирующего потенциала, изменяющего ширину этой зоны (транзистор), падающих фотонов (фотоэффект), магнитного поля (магнитные полупроводники), температуры (терморезисторы) и т.д. В суперионных проводниках реализуется перемещение заряда не под действием (или не только под действием) электронов, а с участием других носителей заряда - катионов или анионов. В ряде случаев суперионики можно считать подклассом диэлектриков, если в них отсутствует смешанная электрон-ионная проводимость.
Материалы с магнитными свойствами концентрируют магнитное поле (например, постоянные магниты) или служат для записи импульсов магнитного поля; в этом случае используется нелинейный эффект спонтанной намагниченности и разбиения материала на магнитные домены.
Оптические материалы связаны с генерацией излучения (различные виды люминесценции и полупроводниковые лазеры), его трансформацией, обработкой и записью (оптика и нелинейная оптика), а также с передачей сигналов на большие расстояния. Для теплофизических материалов реализуются теплоизоляционные и барьерные свойства, или, напротив, они способны служить теплогенерирующими (нагревательными) элементами.
В большинстве случаев следует говорить о полифункциональных материалах, материалах с несколькими комбинированными свойствами или новыми гибридными свойствами, возникшими из-за взаимодействия различного рода потоков и физических эффектов в веществе. Именно к такого сорта материалам относятся наиболее перспективные современные семейства материалов, и именно они оказываются наиболее интересными, поскольку позволяют управлять одной из требуемых характеристик материала за счет прецизионного изменения другой. Так, сверхпроводники являются одновременно материалами с нулевым электрическим сопротивлением и идеальными диамагнетиками.
Материалы с колоссальным магнетосопротивлением демонстрируют существенную зависимость электрического сопротивления от приложенного магнитного поля (в большинстве случаев они являются магнитными полупроводниками). Материалы с электрохромным эффектом демонстрируют зависимость экстинкции (или прозрачности) от приложенного электрического поля. Электрооптические и магнитоооптические пленки изменяют поляризацию света в зависимости от электрического или магнитного поля, соответственно. Термоэлектрики (материалы с электрокалорическим эффектом) и магнитокалорические материалы охлаждаются под действием электрического или магнитного поля.
Полупроводниковые материалы «солнечных элементов» демонстрируют трансформацию энергии фотонов в разность потенциалов (возникновение электродвижущей силы). Наоборот, в полупроводниковых лазерах возможно превращение электрической энергии в излучение. Нелинейные диэлектрики имеют целую гамму практически полезных свойств – пьезоэлектрических, пироэлектрических и др. «Умные» сегнетоэлектрические и ферромагнитные материалы разбиваются на домены под действием электрического или магнитного поля, а пьезоэлектрические и магнитострикционные материалы демонстрируют взаимодействие элекрического потенциала или напряженности магнитного поля и деформации. Особенно многообещающими являются гибридные материалы, которые могут
демонстрировать даже «тройственную» взаимосвязь эффектов, например, проявлять магнитофотоэлектрические свойства.
Таким образом, функциональные композиционные материалы многообразны, и, как правило, состоят из неорганических фаз, в то время как среди конструкционных материалов наибольшее внимание в последние годы уделяют полимерным композиционным материалам (ПКМ).
2. Введение в полимерные композиционные материалы
Материалы, которые использовал человек в своей деятельности, всегда играли важную, а часто и определяющую роль в прогрессе цивилизации. Они даже дали названия целым этапам развития человечества: каменный век, бронзовый век, железный век и.т.д. В настоящее время круг материалов, созданных и используемых в быту, технике, особенно военной, чрезвычайно широк. Однако с небольшой долей пристрастности современную эпоху можно назвать веком полимеров.
В этой разделе мы остановимся лишь на одном типе полимерных материалов: полимерных композитах или армированных пластиках, которые состоят из высокопрочных волокон различной природы (стеклянных, углеродных, полимерных и других) и полимерного связующего — матрицы, склеивающей волокна в прочнейший монолитный материал. История возникновения искусственных композиционных материалов восходит к истокам цивилизации, когда человек начал сознательно конструировать новые материалы. Первые упоминания об армированных строительных материалах можно найти в Библии. В Египте и Месопотамии строили речные суда из тростника, пропитанного битумом (прототип современных стеклопластиковых лодок и тральщиков). Изготовление мумий в Египте можно считать первым примером использования метода ленточной намотки (мумии обматывались лентой из ткани, пропитанной смолой). Все это происходило за тысячелетия до новой эры.
Конечно же, здесь следует упомянуть и о природных композиционных материалах, таких, как дерево, кости и прочие. Словом, история полимерных композитов чрезвычайно стара. Однако настоящий бум в современном материаловедении возник в конце первой половины ХХ века, когда появились хорошие прочные и легкие стеклопластики и из них начали делать планеры, а затем и многое другое. Современная авиация, ракетно-космичес-кая техника, судостроение, машиностроение немыслимы без полимерных композитов. Чем больше развиваются эти отрасли техники, тем больше в них используют композиты, тем выше становится качество этих материалов. Многие из них легче и прочнее лучших металлических (алюминиевых и титановых) сплавов, и их применение позволяет снизить вес изделия (самолета, ракеты, космического корабля) и, соответственно, сократить расход топлива. В результате сейчас в скоростной авиации используют от 7 до 25 % (по весу) полимерных композитов и снижают вес изделия таким образом от 5 до 30 %. В качестве рекламы этих материалов в США был изготовлен самолет “Вояджер”, практически полностью изготовленный из армированных пластиков (главным образом, углепластика, материала на основе углеродных волокон). Этот самолет облетел вокруг Земли без посадки.
Важно и то, что в отходы при изготовлении деталей из полимерных композитов идет не более 10÷30% материала, в то время как у аналогичных деталей из высокопрочных сплавов алюминия и титана, применяемых в авиации, отходы могут в 4÷12 раз превышать массу изделия. Опыт применения полимерных композитов показал, что максимального выигрыша от их применения можно добиться, лишь творчески подходя к проектированию самолета или другого изделия, учитывая особенности свойств армированных пластиков и технологии их изготовления. Простой пример. Металл - изотропный материал, свойства его одинаковы во всех направлениях, армированный пластик - анизотропный: например, прочность его вдоль волокон намного больше, чем поперек.
Не для всякого изделия необходим изотропный материал. Так, в простой цилиндрической трубе при внутреннем давлении напряжения вдоль и поперек трубы отличаются приблизительно в 2 раза. Поэтому выгоднее по радиусу разместить больше волокон (там больше напряжение), чем вдоль трубы. Такая конструкция называется равнопрочной и позволяет экономить материал. Кроме того, при изготовлении деталей из полимерных композитов требуются меньшие трудовые и энергетические затраты, уменьшается количество производственных циклов, можно вместо большого количества мелких деталей и последующего их соединения болтами или сваркой сделать сразу одну большую.
Компоненты армированного пластика - это волокно и полимерная матрица. Основную механическую нагрузку несут волокна и они, главным образом, определяют прочность и жесткость (модуль упругости) материала.