«Создание и применение композиционных материалов в быту и строительстве» (стр. 3 из 6)

Твердые тела могут обладать точечными дефектами. Точечные дефекты – нарушение кристаллической решетки в изолированных друг от друга точках.

В результате теплового движения томов и их взаимодействия возможны отклонения энергии отдельных атомов от среднего значения, при котором атом удерживается в узле кристаллической решетки. Дефекты также могут появиться в процессе роста кристалла. Экспериментально подтверждает наличие точечных дефектов в кристаллах явление диффузии в твердых телах. На самом деле, в кристалле без дефектов никакой диффузии не могло бы быть. Если атомы колеблются около узлов кристаллической решетки и не «покидают» эти положения, то не может быть проникновения атомов одного кристалла в другой.

Различают два вида дефектов (дислокаций): краевую и винтовую. Дислокации могут перемещаться в кристаллической решетке. При краевой дислокации (рис.4) происходит искажение кристаллической структуры. Это вызвано тем, что в части объема кристалла в процессе его роста возникла лишняя атомная «полуплоскость». При винтовой дислокации происходит искажение пространственной решетки. Атомные ряды изгибаются и меняют рис.4

своих соседей. Эти дислокации происходят при росте кристалла.

Знания о строении вещества позволяет влиять на свойства вещества и создавать материалы с определенными свойствами. Создание материалов с заданными свойствами, потребность в которых постоянно растет, - одно из основных направлений научно-технического прогресса.

Наиболее важной считается задача повышения прочности материалов. Как известно, прочность повышается как при уменьшении числа дефектов, так и при их увеличении. Можно сделать вывод о том, что она максимальна у идеального кристалла. Поэтому одна из возможностей повышения прочности - выращивание бездефектных кристаллов, кристаллов максимально близких к идеальному. Такие кристаллы выращивают в лабораториях. Они имеют нитевидную форму и их прочность практически равна теоретической. Так, кристаллы железа, полученные в лаборатории, имеют прочность 14×10⁷ Па, в то время как прочность обычного чистого железа - 2×10⁷ Па.

С другой стороны прочность растет с увеличением числа дефектов. Это связано с тем, что дефекты тормозят перемещение дислокаций. Поэтому для повышения прочности необходимо увеличить концентрацию дефектов. С этой целью материал можно подвергнуть пластической деформации. Этот способ повышения прочности называют наклепом. Примерами наклепа являются ковка, прокатка, волочение и т.п. Опыт показывает, что при наклепке прочность возрастает в десятки раз.

Повышению прочности материалов способствует введение в них примесей, которые препятствуют распространению дислокаций. Такими примесями могут быть атомы углерода, кремния, бора, азота. Поэтому широкое распространение в технике получают сплавы, которые имеют большую прочность по сравнению с чистыми металлами, например, различные стали (сплавы железа, углерода и других элементов), латунь (сплав меди и цинка), сплавы алюминия или магния с медью и другими элементами.

Помимо высокой прочности, сплавы обладают и другими свойствами, отличающими их от чистых металлов. Например, некоторые из них более термостойки, чем составляющие их металлы, другие наоборот плавятся при более низкой температуре. Так, олово плавится при 232 ⁰С, свинец - при 327 ⁰С; сплав олова со свинцом - при 170 ⁰С; сплав карбида тантала с гафнием имеет наивысшую из известных температуру плавления - 4215 ⁰С.

Есть сплавы, обладающие очень высокой твердостью, существуют упругие сплавы, сплавы, соединяющие легкость и прочность (дюрали), сплавы, не подверженные окислению (нержавеющие стали), сплавы с большим электрическим сопротивлением (нихром), сплавы со специальными магнитными свойствами, сплавы, имеющие малый температурный коэффициент линейного расширения (инвар) и др.

Причина, по которой сплав приобретает свойства, отличные от свойств его компонентов, заключается в том, что в расплавленном состоянии происходит активное перемещение частиц, поскольку они обладают высокой энергией теплового движения. Поэтому при кристаллизации образуется материал (сплав) с иным строением и с иными свойствами.

Знание строения вещества и умение изменять его и управлять свойствами материалов крайне важно для дальнейшего научно-технического прогресса.

§2 Что такое композиционные материалы

Прорыв в новые области знаний, технологий, создание изделий с требуемыми свойствами, резкое улучшение экономических показателей, обретение технико-экономической независимости вследствие отказа от использования традиционно приемлемых материалов - все это возможно только благодаря современным материалам - новым композиционным материалам.

Композиционные материалы (КМ, композиты) - многокомпонентные материалы (рис.5), состоящие из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах приводит к появлению качественно новых механических свойств материала.

Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств

рис.5 каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце.

Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.

Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в XVIII веке (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины XX века. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.

А вот другой пример. Первые композиционные материалы на основе полимеров — битумную смолу, наполненную тростником,— использовали для строительных целей в Древнем Вавилоне более 5000 лет назад. Известно, что в Египте и в государствах Месопотамии в третьем тысячелетии до н.э. из этого же материала строили речные суда. Если внимательно проанализировать искусство мумифицирования, распространенное в Древнем Египте, то в основе его также можно найти способ получения композитов. В самом деле, тело после соответствующей обработки обматывали лентой из ткани и пропитывали природной смолой с образованием жесткого кокона.

Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного в наши дни композиционного материала - древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), выдерживающие большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 году до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4-6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы - металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы - полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита (рис.6), пропитанные эпоксидными клеями), фанера. Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом. рис.6

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр. [2, c.135].