Перспективные нанокомпозиты

Свойства различных армирующих волокон. Требования к полимерным матрицам. Модифицирование эпоксиуглепластиков алмазными и алмазо-графитовыми углеродными наночастицами. Функционализация фуллеренов для непосредственного их встраивания в полимерную матрицу.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

ВВЕДЕНИЕ

Век полимеров

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... Конечно, сейчас круг материалов, созданных и используемых в быту и технике, особенно военной, чрезвычайно широк. Однако с небольшой долей пристрастности современную эпоху можно назвать веком полимеров.

В этом бизнес-плане представлен один тип полимерных материалов: полимерные нанокомпозиты или композиционные материалы с термореактивной полимерной матрицей на основе углеродных фуллероидных наномодификаторов, которые улучшают новому композиционному материалу физико-механические и другие свойства на 30 - 300% по различным параметрам. Современная авиация, ракетно-космическая техника, судостроение, машиностроение немыслимы без полимерных композитов. 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. Таблица 1 иллюстрирует уменьшение финансовых затрат (в долларах) при снижении массы конструкции на 1 кг. В результате сейчас в скоростной авиации используют от 7 до 30% (по весу) полимерных композитов и снижают вес изделия таким образом от 5 до 40%. Возможно в ближайшем будущем эти цифры будут значительно изменены в связи с активным применением наночастиц и нанотехнологий в производстве полимерных композитных материалов.

Таблица 1

Важно и то, что в отходы при изготовлении деталей из полимерных композитов идет не более 10ч30% материала, в то время как у аналогичных деталей из высокопрочных сплавов алюминия и титана, применяемых в авиации, отходы могут в 4ч12 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. В таблице 2 приведены средние удельные затраты энергии при изготовлении материала и изделий из металлов и армированного пластика на основе углеродных волокон и эпоксидной смолы как связующего (эпоксиуглепластик).

Компоненты армированного пластика -- это волокно и полимерная матрица. Основную механическую нагрузку несут волокна и они, главным образом, определяют прочность и жесткость (модуль упругости) материала.

Таблица 2

АРМИРУЮЩИЕ ВОЛОКНА

В первую очередь следует остановиться на стеклянных волокнах, наиболее распространенных и дешевых из армирующих волокон. Стеклопластики -- наиболее дешевые композиционные материалы, поэтому они широко используются в строительстве, быту, судостроении, в том числе подводном, в наземном транспорте, в спортивном инвентаре...

Главный недостаток стеклянных волокон -- сравнительно большая плотность и низкий модуль упругости.

Близкие по природе стеклянным базальтовые волокна, сырьем для которых является очень дешевый природный минерал, имеют похожие, но, к сожалению, часто нестабильные свойства. В таблице 3 приведены составы и некоторые свойства стеклянных и базальтовых волокон.

Таблица 3

Тип и назначение волокна

E S YM-31A

Состав, % Общего Высоко- Высоко- Базаль-

назначения прочное модульное товое

SiO2 54,0 65,0 53,7 50

Al2O3 14,0 25,0 -- 15

Fe2O3 0,2 -- 0,5 2

CaO 17,5 -- 12,9 9

MgO 4,5 10,0 9,0 5

B2O3 8,0 -- -- --

K2O 0,6 -- -- 1

Li2O -- -- 3,0 --

BeO -- -- 8,0 --

TiO2 -- -- 8,0 3

ZrO2 -- -- 2,0 --

CeO -- -- 3,0 --

FeO -- -- -- 11

Na2O -- -- -- 3

плотность, 2,54 2,49 2,89 --

г/cм3

прочность, 3,45 4,59 3,45 2ч2,25

ГПа

модуль 72,4 86,2 110 78ч90

упругости,

ГПа

Следующий тип армирующих волокон -- углеродные -- был создан для преодоления таких недостатков стеклянных волокон, как низкий модуль упругости и большая плотность. Углеродные волокна и композиты из них имеют глубокий черный цвет и хорошо проводят электричество, что определяет и ограничивает области их применения. Углепластики широко применяются в авиации, ракетостроении, при изготовлении спортинвентаря (велосипедов, автомобилей, теннисных ракеток, удочек и тому подобного). Кроме того, углеродные волокна и углепластики имеют очень низкий, практически нулевой коэффициент линейного расширения, что делает их незаменимыми в некоторых специальных областях применения: например, в космических телескопах или других аналогичных элементах космической техники. На основе углеродных волокон делают и самый теплостойкий композиционный материал -- углеуглепластик (углеродуглерод), в котором матрицей, склеивающей углеродные волокна, служит также практически чистый углерод. В таблице 4 приведены свойства некоторых промышленных отечественных и выпускаемых японскими и американскими фирмами марок углеродных волокон.

Таблица 4

Марка Прочность, Модуль упру- Плотность,

волокна ГПа гости, ГПа г/см3

Высокопрочные волокна

Т-300* 3,6 235 1,76

Т-400H* 4,5 255 1,80

T-800H* 5,7 300 1,81

T-1000* 7,2 300 1,82

Высокомодульные волокна

М-30* 4 300 1,7

М-40* 2,8 400 1,81

М-46* 2,4 460 1,88

М-50*...