тестИтог ФБ. В какой стране началась первая промышленная революция
 Скачать 0.66 Mb.
|
|
• нанокомпозиты - представляющие материалы, наполненные наночастицами • слоистые композиты, структура которых напоминает слоеный пирог • сэндвич-композиты, которые часто называют трехслойными конструкциями, где тонкие, но при этом жесткие панели соединены толстым слоем какого-то легкого заполнителя Среди всех существующих композитных материалов на сегодняшний день наиболее востребованными на рынке российской и зарубежной промышленности являются волокнистые композиты. Армирующими элементами волокнистых композитов, естественно, служат волокна , как правило, обладающие высокой прочностью и жесткостью. Это могут быть длинные волокна, короткие волокна, ткани, сплетенные из нитей, а также любые их комбинации, образующие гибридные композиты. Наиболее распространенными материалами волокон являются стекло, углерод и арамид. Несколько менее популярны бор, оксид алюминия и карбид кремния. В качестве матрицы используются полимеры, такие как, например, эпоксидная смола, металлы (например, алюминий) или керамика, примером которой может служить оксид алюминия. Несущая способность конструкций из волокнистых композитов обеспечивается в основном волокнами, а матрица выполняет следующие функции: • обеспечение требуемого расположения волокон в материале; • передача нагрузок волокнам; • защита волокон от вредных воздействий окружающей среды, таких как агрессивные среды, повышенная влажность воздуха, обледенение, высокие или низкие температуры. Волокнистые композиты делятся на два основных класса в зависимости от длины армирующих волокон: 1) композиты, армированные длинными волокнами и 2) композиты, армированные короткими волокнами. Короткие волокна могут располагаться в материале хаотично или ориентировано, то есть в некотором заданном направлении. В первом случае говорят о хаотично армированном композите, а многослойные структуры из такого материала на основе полимерной матрицы сокращенно называют ХАСП – хаотично армированным слоистым пластиком. Во втором случае говорят об однонаправленном композите, армированном короткими волокнами. Композиты, армированные длинными волокнами, по типу армирования разделяют на: а) одномерно армированные, б) двумерно армированные и с) пространственно армированные композиты. В первом случае говорят об однонаправленных композитах, во втором случае композиты обычно называют тканевыми, поскольку двумерное армирование проще всего обеспечивается путем использования в качестве наполнителя тканей различного типа плетения, а в третьем случае говорят о плетеных композитах. Из известных типов переплетения тканей сейчас наибольшей популярностью пользуются полотняное переплетение , саржевое и сатин. Одно из направлений нитей обычно называют основой, а перпендикулярное – утком. Полотняное переплетение – это самый простой вид переплетения, в котором нити основы и утка перекрывают друг друга в каждых двух последовательных перекрытиях. Саржевое переплетение образует на поверхности ткани видимый диагональный рубчик («бугорки»), который в основном направлен сверху вниз и слева направо, но встречается и обратное направление рубчика (сверху вниз и справа налево), образуемое обратным саржевым переплетением. Нить сатинового переплетения, как правило, огибает 4, 6 или 8 нитей перпендикулярного направления снизу и затем одну сверху и так далее. В первом случае говорят о четырехремизном сатине, во втором – о шестиремизном, а в третьем - о восьмиремизном. Композиты, упрочненные частицами, состоят из матрицы и равномерно распределенных в ней микрочастиц слюды, кварца, стекла, диоксида кремния, карбоната кальция и других материалов. В отличие от волокнистых композитов в этих материалах за несущую способность конструкции отвечает матрица, а не наполнитель. Средний размер частиц наполнителя обычно составляет порядка микрона, то есть 10-6 м. Если частицы имеют размеры меньше микрона, то такой материал обычно называют дисперсно-упрочненным. Известно, что наиболее высокая прочность дисперсно-упрочненных композитов достигается при размере частиц от 10 до 500 нм при среднем расстоянии между ними от 100 до 500 нм и равномерном распределении их в матрице. Композиты, у которых средний размер упрочняющих частиц не превышает 100 нанометров, называют нанокомпозитами. Объемная доля наполнителя в этих материалах весьма незначительна – порядка 2-5%. При этом нанокомпозиты сочетают в себе преимущества составляющих компонентов: малый вес, гибкость, хорошую перерабатываемость, повышенную ударопрочность и износостойкость. Кроме того, эти материалы являются весьма многообещающими с точки зрения термических, электрических и оптических свойств. Это обусловлено тем, что отношение площади поверхности наночастицы к ее объему очень высоко, что обеспечивает лучшее химическое взаимодействие между матрицей и наполнителем. Поэтому показатели композитов, армированных наночастицами значительно превышают показатели тех же материалов, армированных, например, волокнами или микрочастицами. Одним из главных недостатков наночастиц является тенденция к образованию агломератов, то есть совокупностей частиц, прочно слипшихся друг с другом из-за высокого отношения площадей поверхностей наночастиц к их объему. Одно из возможных решений проблемы агломератов – это использование в композите специальных веществ – диспергентов, предотвращающих слипание наночастиц. Наиболее популярными материалами наночастиц являются следующие: углерод (нанотрубки, фуллерены, графен), оксид кремния, золото, серебро, оксид цинка и диоксид титана. 1. Углеродные наночастицы входят в состав композитных материалов, применяющихся для самых различных целей – от производства материалов для теннисных ракеток до деталей для космических кораблей. Благодаря уникальным характеристикам электропроводности и теплопроводности они находят широкое применение в электронике, а их способность преодолевать биологические мембраны и проникать через гематоэнцефалический барьер служат основой для проведения исследований по использованию этих материалов в качестве носителей для адресной доставки лекарств. 2. Диоксид кремния (SiO2) также широко применяется в промышленности – в процессе изготовления теплоизоляторов, в производстве оптоэлектроники, как компонент для получения термостойких красок, лаков и клеев, а так же как стабилизаторы эмульсий. Также наночастицы SiO2 добавляют в покрытия для защиты от влаги, абразивных повреждений и царапин. Для того чтобы покрытие было прозрачным, используются нанопорошки со средним размером частиц менее 40 нм. 3. Наночастицы золота используются как объект для изучения оптических свойств частиц металлов, механизмов агрегации и стабилизации коллоидов. Известны примеры применения КЗ в медицине, в частности, в цветных реакциях на белки. Частицы золота применяют для изучения транспорта веществ в клетку путем эндоцитоза, для доставки генетического материала в клеточное ядро, а также для адресной доставки лекарственных веществ. В промышленности наночастицы коллоидного золота используются при фотопечати и в производстве стекла и красителей. 4. Области применения наночастиц серебра могут быть различными: спектрально-селективные покрытия для поглощения солнечной энергии, в качестве катализаторов химических реакций, для антимикробной стерилизации. Последняя область применения является наиболее важной и включает в себя производство различных средств упаковки, перевязки и водоэмульсионных красок и эмалей. В настоящее время на основе коллоидного серебра выпускаются биологически активные добавки с антибактериальным, противовирусным и противогрибковым действием. Слоем наночастиц серебра покрывают столовые приборы, дверные ручки и даже клавиатуру и «мышки» для компьютеров. Также наночастицы серебра используют при создании новых покрытий, косметики, а также для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха. 5. На настоящий момент частицы оксида цинка (ZnO) и диоксида титана (TiO2) используются в краске, пластике и текстиле, а также в качестве антисептиков в зубной пасте и косметике. Например, благодаря фотокаталитической активности и поглощению света в ультрафиолетовом диапазоне оксид цинка и диоксид титана получили широкое распространение в солнцезащитных кремах. Несмотря на широкую распространенность наночастиц ZnO и TiO2 в косметических средствах и продуктах питания, в последнее время появляется все больше работ, в которых показано, что фотокаталитическая активность может оказывать токсическое воздействия на клетки и ткани. Так показано, что TiO2 является генотоксичным и может способствовать старению организма за счет образования активных форм кислорода. Слоистые композиты представляют структуру типа «слоеный пирог» , где в качестве слоев выступают самые разные материалы. Например, это могут быть тканевые, однонаправленные или хаотично армированные волокнистые композиты. Чаще всего слоистые композиты представляют набор слоев с различными направлениями укладки волокон. Преимуществом слоистых композитов является их способность обеспечить сложный набор требуемых свойств, таких как, например, повышенная прочность и жесткость при заданных видах нагружения, а также низкие коэффициенты теплового расширения в заданных направлениях. Среди слоистых композитов различают однонаправленные композиты, где волокна направлены под одинаковыми углами θ во всех слоях. У перекрестно-армированных композитов углы укладки волокон чередуются в чередующихся слоях. Например, в композите с укладкой [±θ], где 0ᵒ<θ<90ᵒ, один слой направлен под углом +θ, а другой под углом –θ; а в композите с укладкой [±θ]2, индекс 2 обозначает удвоение структуры, то есть слои чередуются следующим образом [+θ/-θ/+θ/-θ]. У ортогонально-армированных композитов в чередующихся слоях чередуется продольное и поперечное направление укладки волокон (например, [0ᵒ/90ᵒ/0ᵒ/90ᵒ], или, если записать короче [0ᵒ/90ᵒ]2). По структуре также слоистые композиты делят на симметричные композиты, у которых укладка слоев симметрична относительно некоторой плоскости и несимметричные, где симметрия отсутствует. Например: композит с укладкой [0/±45/90/90/±45/0] – это типичный симметричный композит. Здесь для сокращения записи можно использовать индекс S как символ симметрии, например [0/±45/90]. А в случае, когда центральный слой не дублируется [0/±45/90/±45/0] используют нижнее подчеркивание[0/±45/90]S. Сэндвич композиты представляют собой особый класс композитов, где две тонкие, но жесткие панели соединяют друг с другом при помощи легкого заполнителя, толщина которого значительно превышает толщину соединяемых панелей. В качестве панелей обычно используют металлические листы (чаще всего, это алюминий или титан) или волокнистые композиты, а в качестве заполнителя – пену из полиуретана, поливинилхлорида или полиэтилена, древесину бальзового дерева или сотовый заполнитель, изготовленный из композитного материала, или металла. Основное преимущество сэндвич композитов состоит в том, что, обладая низким весом, они демонстрируют повышенную жесткость при изгибе. 2. Основные особенности композитов по сравнению с традиционными материалами 1. Анизотропия. Металлические материалы и сплавы, традиционные для машиностроения, обычно демонстрируют одинаковые свойства в различных направлениях, то есть они изотропны. Свойства волокнистых композитов заметно зависят от направления измерения, то есть эти материалы ярко выраженной анизотропией свойств. У однонаправленного волокнистого композита все волокна расположены в одном направлении – продольное направление. Направление, перпендикулярное продольному называют поперечным или трансверсальным. 2. Удельная прочность и удельный модуль. Удельная прочность – это характеристика прочности материала (то есть его способности выдерживать внешние нагрузки, не разрушаясь) Удельный модуль – это характеристика жесткости материала (то есть его способности выдерживать внешние нагрузки, не меняя существенным образом размеры) Основное преимущество композитов по сравнению со сталями и сплавами - высокие значения удельной прочности и удельного модуля 3. Особенности проектирования. Использование композитов позволяет: • упрочнять конструкцию в наиболее нагруженных местах и направлениях • повышать жесткость конструкции в заданных направлениях • изготавливать сложные изогнутые поверхности за одну операцию • проектировать конструкции с нулевым коэффициентом теплового расширения. 4. Области применения композитов Благодаря своим многочисленным преимуществам композиты применяются практически во всех отраслях современной промышленности, например: 1) Авиация и ракетостроение Первые современные композиты появились в середине XX века в сфере авиации и ракетостроения благодаря таким своим преимуществам как: + Высокие значения удельного модуля и удельной прочности (то есть снижение веса конструкций при той же прочности и жесткости) + Стабильность размеров в широком диапазоне температур (коэффициент теплового расширения многих композитов близок к нулю) Типичные материалы – дорогие высокопрочные и высокомодульные однонаправленные композиты на основе полимерной матрицы 2) Транспортная индустрия Преимущества использования композитов вместо традиционных материалов в транспортной индустрии : + Снижение веса + Снижение стоимости изготовления конструкций (40%-60% экономиии) + Интеграция нескольких деталей в один элемент (например, композитная опора радиатора обычно состоит из 2х склеенных друг с другом частей вместо 20 и более металлических деталей, соединенных друг с другом с помощью заклепок) + Шумоизоляция Типичные материалы – недорогие хаотично армированные композиты типа ХАСП 3) Судостроение и морская индустрия Главное преимущество использования композитов в судостроении - это снижение веса конструкций, что выражается в следующем: + Повышении скоростей и ускорений + Улучшении маневренности + Снижении потребления топлива Для изготовления корпусов лодок (особенно спортивных, где снижение веса особенно необходимо для получения конкурентных преимуществ) обычно используют сэндвич композиты со стеклопластиковыми панелями и сотовым либо пенистым заполнителем. 4) Строительство Потребность в композитах в современном гражданском строительстве постоянно растет. Кроме того, современные композиты все чаще используются для реализации самых дорогих и амбициозных проектов. Популярные типы материалов – ДВП, ДСП и стеклопластик (волокнистый композит -полимер, армированный стекловолокном) Преимущества использования композитов в строительстве: + Невысокая стоимость; + Высокая прочность и жесткость; + Малый вес; + Стойкость к коррозии. Это выражается в: + увеличении срока службы конструкций; + снижении затрат на обслуживание и ремонт. 5) Ветроэнергетика В ветроэнергетике композиты используют, в основном, для изготовления роторных частей ветрогенераторов - лопастей и гондол. Наиболее востребованные материалы – композиты на основе полимерной матрицы, армированные стекло- и углеволокном 6) Спорт В спортивной индустрии наибольшей популярностью пользуются волокнистые композиты, а также сэндвич композиты. 7) Оборонная промышленность В оборонной промышленности часто используют волокнистые композиты (в особенности слоистые композиты), а также сэндвич композиты. 8) Медицина В медицине популярностью пользуются композиты, армированные частицами, нанокомпозиты и различные волокнистые композиты. 9) Потребительские товары Для производства потребительских товаров как правило используют недорогие композиты, армированные частицами, а также различные волокнистые композиты. Какой материал самый тугоплавкий? Выберите один ответ: a. Платина b. Вольфрам c. Медь d. Бронза Отзыв Ваш ответ верный. Правильный ответ: Вольфрам Вопрос 2 Верно Баллов: 1,00 из 1,00 Не отмеченоОтметить вопрос Текст вопроса Выберите основные свойства Суперсплавов: Выберите один или несколько ответов: a. Жаропрочность b. Жаростойкость c. Электропроводность d. Ползучесть Отзыв Ваш ответ верный. Правильные ответы: Жаропрочность, Жаростойкость, Ползучесть Вопрос 3 Верно Баллов: 1,00 из 1,00 Не отмеченоОтметить вопрос Текст вопроса Самый популярный наноматериал на основе углерода: Выберите один ответ: a. Графит b. Графен c. Карбин d. Алмаз Отзыв Ваш ответ верный. Правильный ответ: Графен Вопрос 4 Верно Баллов: 1,00 из 1,00 Не отмеченоОтметить вопрос Текст вопроса К какой группе классификации относятся химические соединения? Выберите один ответ: a. Мета-материалы b. Композитные материалы c. Простые вещества d. Сложные вещества Отзыв Ваш ответ верный. Правильный ответ: Сложные вещества Вопрос 5 Верно Баллов: 1,00 из 1,00 Не отмеченоОтметить вопрос Текст вопроса Какое свойство характерно метаматериалам: Выберите один ответ: a. Прозрачность в диапазоне длин волн видимого света b. Левосторонний коэффициент преломления c. Правосторонний коэффициент преломления |