Композиционные материалы. Структура и свойства

Лекции:
Основные понятия и определения в области
нанотехнологий. Стандартизация нанообъектов
и наноматериалов.
История нанотехнологий.
Введение (1 модуль)
Практические занятия:
Размерная шкала природных и синтетических объектов и материалов. Фрактальные объекты.
Инструментарий нанотехнологий. Оптическая и электронная микроскопия (ПЭМ, СЭМ, СЗМ).
Композиционные материалы. Структура и свойства.

Композиционные материалы композиты, КМ
(от лат. compositio - составление) – это материалы, состоящие из двух или более компонентов с четко выраженной границей раздела фаз между ними.

Состав КМ:
Матрица – непрерывная среда/фаза;
связывает частицы наполнителя в единый сплошной, монолитный материал, поэтому матрицу еще называют «связующим».
Наполнитель – дискретно (чаще всего) распределенная в матрице фаза. Изменяет механические, функциональные свойства КМ (термические, электрические, магнитные и т.д.).
В некоторых случаях удешевляет материал (т.к. полимер дорогой).

Межфазный слой (граница раздела фаз) – слой контактирующих, взаимодействующих между собой молекул обоих компонентов, слой определенной толщины.
Молекулы граничного слоя обоих компонентов отличаются по свойствам от молекул объемных фаз.
Итоговый комплекс свойств КМ предопределяется свойствами трех составляющих:

Цель создания КМ:
объединение разнородных компонентов для получения материала с новыми заданными свойствами и характеристиками, отличными от свойств и характеристик исходных компонентов.
С появлением такого рода материалов возникает возможность селективного выбора свойств композитов, необходимых для нужд каждой конкретной области применения.

Равномерное распределение наполнителя
(и других добавок) в матрице
Равномерную передачу внешнего воздействия от матрицы на все частицы наполнителя
Прочное сцепление на границе
матрица – наполнитель за счет физико-химического взаимодействия
Для реализации улучшенных свойств КМ необходимо:

Классификация композиционных материалов
По природе матрицы
По природе и форме армирующего компонента
По структуре композита
По характеру расположению наполнителя
По количестве компонентов
По размеру частиц дисперсной фазы
По назначению (применению)

По природе матрицы:
Полимеры (ПКМ)
Керамика (ККМ)
Металлы и их сплавы (МКМ)
Жидкие кристаллы (ЖдКМ)
Матрица:
придает требуемую форму изделию,
защищает арматуру от механических повреждений и др. воздействий среды,
обеспечивает равномерное распределение механического воздействия по объему материала
Матрица должна обеспечить требуемые свойства:
физико-химические на этапе эксплуатации изделия
технологические на этапе изготовления изделия

По природе и форме наполнителя:
Дисперсные частицы
сферической,
чешуйчатой,
пластинчатой,
неправильной формы
(мел, слюда, оксиды металлов, стеклосферы, фуллерены, чешуйки стекла или глины и т.п.).
Волокна
короткие или непрерывные
(органические и неорганические полимеры, керамические, стеклянные, минеральные волокна и т.д.)

По характеру расположению наполнителя:

По количеству компонентов
Полиматричные композиты – композиты, в которых сочетается несколько типов матриц;
Полиармированные (гибридные) композиты – композиты, содержащие разные наполнители.

По структуре композита:
Матричные (а, б)
Слоистые (в)
Каркасные (г)
а б в
г

По размеру частиц дисперсной фазы:
Макронаполненные
Микронаполненные
Нанонаполенные

По методу получения
Искусственные композиты – композиты, полученные в результате искусственного сочетания компонентов, направленного размещения армирующей фазы в матрице по той или иной специальной технологии (принудительное, по сути, без учета «собственных» свойств компонентов);
Естественные композиты – композиты, где расположение армирующей фазы в процессе изготовления соответствует собственной эволюции элементов (в неравновесных условиях, где проявляется самоорганизация элементов армирующей фазы)

конструкционные - высокие механические характеристики (прочность, жесткость и т.д.);
функциональные - специальные свойства (электрические, магнитные, оптические и т.д.);
конструкционно-функциональные - функциональные свойства и комплекс сопутствующих механических характеристик;
smart materials – материалы, способные реагировать заданным образом на изменения внешних условий.
По назначению

Отличия smart materials
от традиционных материалов:
способность диагностировать изменения
в окружающей среде,
в собственной
структуре
температура,
давление,
электрическое напряжение, деформационное состояние
способность реагировать на результаты диагностики
с целью адаптации к изменившимся условиям
поддержания функциональных свойств, обеспечения работоспособности всей конструкции в новых условиях

Сенсор – элемент самодиагностики материала, осуществляет контроль за изменением внешних условий (температуры, давления, влажности, рН среды, электрического или магнитного полей и др.).
Актуатор – элемент самоадаптации материала, т.е. исполнительное устройство, совершающее действие;
выполнение действия позволяет устойчиво функционировать материалу в изменившихся условиях.
Композиты пассивного типа Композиты активного типа