Полимерный матричный композит
В материаловедении композит с полимерной матрицей ( ПМК ) представляет собой композиционный материал, состоящий из множества коротких или непрерывных волокон, связанных между собой матрицей из органических полимеров . ПМК предназначены для передачи нагрузок между волокнами матрицы. Некоторые из преимуществ PMC включают их легкий вес, высокую устойчивость к истиранию и коррозии , а также высокую жесткость и прочность в направлении их армирования. [1]
Матричные материалы
[ редактировать ]Функция матрицы в ПМЦ – связывать волокна между собой и передавать нагрузки между ними. [2] Матрицы ПМК обычно представляют собой либо термореактивные материалы, либо термопласты. Реактопласты являются, безусловно, преобладающим типом, используемым сегодня. Термореактивные смолы подразделяются на несколько систем смол, включая эпоксидные смолы, фенольные смолы, полиуретаны и полиимиды. Из них эпоксидные системы в настоящее время доминируют в отрасли передовых композитов. [3] [4] [5]
Реактопласты
[ редактировать ]Термореактивные смолы требуют добавления отвердителя или отвердителя и пропитки армирующего материала с последующим этапом отверждения для получения отвержденной или готовой детали. После отверждения деталь нельзя изменить или реформировать, за исключением окончательной обработки. Некоторые из наиболее распространенных термореактивных материалов включают эпоксидные смолы , полиуретаны , фенольные и аминные смолы, бисмалеимиды (ИМТ, полиимиды), полиамиды . [3] [4] [5]
Из них эпоксидные смолы наиболее часто используются в промышленности. Эпоксидные смолы используются в промышленности США более 40 лет. Эпоксидные соединения также называют глицидиловыми соединениями. Молекула эпоксидной смолы также может быть расширена или сшита с другими молекулами с образованием широкого спектра продуктов из смолы, каждый из которых имеет различные эксплуатационные характеристики. Эти смолы варьируются от жидкостей с низкой вязкостью до твердых веществ с высокой молекулярной массой. Обычно это жидкости высокой вязкости.
Вторым важным ингредиентом современной композитной системы является отвердитель. Эти соединения очень важны, поскольку они контролируют скорость реакции и определяют эксплуатационные характеристики готовой детали. Поскольку эти соединения действуют как катализаторы реакции, они должны содержать активные центры в своих молекулах. Одними из наиболее часто используемых отвердителей в современной композитной промышленности являются ароматические амины. Двумя наиболее распространенными являются метилендианилин (МДА) и сульфонилдианилин (ДДС). [ нужна ссылка ] Матричные композиты SiC-SiC представляют собой высокотемпературную керамическую матрицу, обработанную из прекерамических полимеров (полимерных предшественников SiC) для проникновения в волокнистую заготовку для создания матрицы SiC. [6]
В современной композитной промышленности также используются несколько других типов отвердителей. К ним относятся алифатические и циклоалифатические амины, полиаминоамиды, амиды и ангидриды. Опять же, выбор отвердителя зависит от отверждения и эксплуатационных характеристик готовой детали. Полиуретаны — это еще одна группа смол, используемых в современных процессах производства композитов. Эти соединения образуются путем реакции полиольного компонента с изоцианатным соединением, обычно толуилендиизоцианатом (ТДИ); метилендиизоцианат (MDI) и гексаметилендиизоцианат Также широко используются (HDI). Фенольные и аминные смолы представляют собой еще одну группу смол PMC. Бисмалеимиды и полиамиды являются относительными новичками в современной композитной промышленности и еще не изучены в такой степени, как другие смолы. [3] [4] [5]
Термопласты
[ редактировать ]Термопласты в настоящее время составляют относительно небольшую часть индустрии ЧМК. Обычно они поставляются в виде нереакционноспособных твердых веществ ( никаких химических реакций во время обработки не происходит требуется только тепло и давление ), и для формирования готовой детали . В отличие от термореактивных пластиков, термопласты при желании обычно можно повторно нагреть и придать им другую форму. [3] [4] [5]
Дисперсные материалы
[ редактировать ]Волокна
[ редактировать ]Армированные волокном ПМК содержат около 60 процентов армирующего волокна по объему. Волокна, которые обычно встречаются и используются в ЧВК, включают стекловолокно, графит и арамид. Стекловолокно имеет относительно низкую жесткость и в то же время демонстрирует конкурентоспособную прочность на разрыв по сравнению с другими волокнами. Стоимость стекловолокна также значительно ниже, чем у других волокон, поэтому стекловолокно является одним из наиболее широко используемых волокон. [1] Армирующие волокна имеют самые высокие механические свойства по длине, а не по ширине. Таким образом, армирующие волокна могут быть расположены и ориентированы в разных формах и направлениях для обеспечения различных физических свойств и преимуществ в зависимости от применения. [7] [8]
Углеродные нанотрубки
В отличие от ПМК, армированных волокном, ПМК, армированные наноматериалами, способны добиться значительного улучшения механических свойств при гораздо меньших (менее 2% по объему) нагрузках. [9] Углеродные нанотрубки , в частности, интенсивно изучались из-за их исключительных механических свойств и низкой плотности. В частности, углеродные нанотрубки имеют одни из самых высоких показателей жесткости и прочности при растяжении среди всех материалов из-за сильного ковалентного sp. 2 связи между атомами углерода. Однако, чтобы воспользоваться исключительными механическими свойствами нанотрубок, передача нагрузки между нанотрубками и матрицей должна быть очень большой.
Как и в композитах, армированных волокном, дисперсия размеров углеродных нанотрубок существенно влияет на конечные свойства композита. Исследования напряжения и деформации одностенных углеродных нанотрубок в полиэтиленовой матрице с использованием молекулярной динамики показали, что длинные углеродные нанотрубки приводят к увеличению жесткости и прочности при растяжении за счет передачи напряжений на большие расстояния и предотвращения распространения трещин. С другой стороны, короткие углеродные нанотрубки не приводят к улучшению свойств без межфазной адгезии. [10] Однако после модификации короткие углеродные нанотрубки способны еще больше улучшить жесткость композита, однако противодействие распространению трещин по-прежнему очень незначительное. [11] В целом, длинные углеродные нанотрубки с высоким соотношением сторон приводят к большему улучшению механических свойств, но их сложнее обрабатывать.
Помимо размера, исключительное значение имеет интерфейс между углеродными нанотрубками и полимерной матрицей. Чтобы добиться лучшей передачи нагрузки, был использован ряд различных методов для лучшего сцепления углеродных нанотрубок с матрицей путем функционализации поверхности углеродных нанотрубок различными полимерами. Эти методы можно разделить на нековалентные и ковалентные стратегии. Нековалентная модификация УНТ включает адсорбцию или обертывание полимеров на поверхность углеродных нанотрубок, обычно посредством взаимодействий Ван-дер-Ваала или π-стекинга. Напротив, ковалентная функционализация предполагает прямое связывание с углеродной нанотрубкой. Этого можно достичь несколькими способами, такими как окисление поверхности углеродной нанотрубки и реакция с кислородсодержащим участком или использование свободного радикала для прямой реакции с решеткой углеродной нанотрубки. [12] Ковалентная функционализация может использоваться для непосредственного присоединения полимера к углеродной нанотрубке или для добавления молекулы-инициатора, которую затем можно использовать для дальнейших реакций.
Синтез ПМК, армированных углеродными нанотрубками, зависит от выбора матрицы и функционализации углеродных нанотрубок. [13] Для термореактивных полимеров используется обработка в растворе, при которой полимер и нанотрубки помещаются в органический растворитель. Затем смесь обрабатывают ультразвуком и перемешивают до тех пор, пока нанотрубки не будут равномерно диспергированы, а затем отливают. Хотя этот метод широко используется, обработка ультразвуком может повредить углеродные нанотрубки, полимер должен быть растворим в выбранном растворителе, а скорость испарения часто может приводить к нежелательным структурам, таким как связывание нанотрубок или пустоты в полимере. Для термопластичных полимеров можно использовать обработку в расплаве, при которой нанотрубки смешиваются с расплавленным полимером, а затем охлаждаются. Однако этот метод не может выдерживать высокую загрузку углеродных нанотрубок из-за увеличения вязкости. Полимеризацию in-situ можно использовать для полимеров, которые не совместимы с растворителями или нагреваются. В этом методе нанотрубки смешиваются с мономером, который затем вступает в реакцию с образованием полимерной матрицы. Этот метод может привести к особенно хорошей передаче нагрузки, если мономеры также прикреплены к поверхности углеродных нанотрубок.
Графен
Как и углеродные нанотрубки, чистый графен также обладает исключительно хорошими механическими свойствами. Графеновые ПМК обычно обрабатываются так же, как и ПМК углеродных нанотрубок, используя обработку в растворе, обработку в расплаве или полимеризацию на месте. Хотя механические свойства графеновых ПМК обычно хуже, чем у их эквивалентов из углеродных нанотрубок, оксид графена гораздо легче функционализировать из-за присущих ему дефектов. Кроме того, 3D-композиты из полимера графена демонстрируют некоторые перспективы для изотропного улучшения механических свойств. [14]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б «Продвинутые материалы по дизайну (часть 6 из 18)» (PDF) . Princeton.edu . Проверено 18 апреля 2017 г.
- ^ «Продвинутые материалы по дизайну (часть 6 из 18)» (PDF) . Princeton.edu . Проверено 18 апреля 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Пилато, Л.; Мично, Майкл Дж. (январь 1994 г.). Современные композиционные материалы (глава 1 «Введение» и глава 2 «Матричные смолы») . Спрингер-Верлаг Нью-Йорк. ISBN 978-3-540-57563-4 .
- ^ Перейти обратно: а б с д OSHA (4 мая 2009 г.). «Полимерные матричные материалы: современные композиты» . Министерство труда США. Архивировано из оригинала 28 мая 2010 года . Проверено 5 июня 2010 г.
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе . - ^ Перейти обратно: а б с д АКГ (2006). «Введение в передовые композиты и технологию препрегов» (бесплатная загрузка в формате PDF) . Группа продвинутых композитов . Проверено 5 июня 2010 г.
- ^ Наннетти, Калифорния; Ортона, А.; де Пинто, Д.А.; Риккарди, Б. (2004). «Производство композитов с матрицей SiC, армированных волокном SiC, путем улучшенной CVI/инфильтрации суспензии/полимерной пропитки и пиролиза ». Журнал Американского керамического общества . 87 (7): 1205–1209. дои : 10.1111/j.1551-2916.2004.tb20093.x .
- ^ «Полимерно-матричные композиты (введение)» . SubsTech.com . 06.11.2006 . Проверено 18 апреля 2017 г.
- ^ «Руководство по композитным материалам: Введение – Полимерные композиты | NetComposites Now» . Netcomposites.com . 31 марта 2017 г. Проверено 18 апреля 2017 г.
- ^ Спитальский, Зденко; Тасис, Димитриос; Папагелис, Константинос; Галиотис, Костас (01 марта 2010 г.). «Композиты углеродные нанотрубки-полимер: химия, обработка, механические и электрические свойства» . Прогресс в науке о полимерах . 35 (3): 357–401. doi : 10.1016/j.progpolymsci.2009.09.003 . ISSN 0079-6700 .
- ^ Франкленд, С. (август 2003 г.). «Поведение композитов полимер-нанотрубки напряжение-деформация на основе молекулярно-динамического моделирования». Композитные науки и технологии . 63 (11): 1655–1661. дои : 10.1016/s0266-3538(03)00059-9 . ISSN 0266-3538 .
- ^ Кар, Камаль К., редактор интеллектуальных сборников. Пандей, Джитендра К., редактор интеллектуальных сборников. Рана, Шравендра, редактор интеллектуальных сборников. (декабрь 2014 г.). Справочник по полимерным нанокомпозитам. Обработка, характеристики и применение: Том B: Полимерные композиты на основе углеродных нанотрубок . ISBN 978-3-642-45229-1 . OCLC 900797717 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Конинг, кор. (2012). Композиты на основе полимерных углеродных нанотрубок: концепция полимерного латекса . ЦРК Пресс. ISBN 978-981-4364-16-4 . OCLC 787843406 .
- ^ Эндрюс, Р; Вайзенбергер, MC (1 января 2004 г.). «Полимерные композиты из углеродных нанотрубок» . Современное мнение в области твердого тела и материаловедения . 8 (1): 31–37. Бибкод : 2004COSSM...8...31A . дои : 10.1016/j.cossms.2003.10.006 . ISSN 1359-0286 .
- ^ Шринивасулу, Б; Рамджи, БР.; Нагарал, Мадева (01 января 2018 г.). «Обзор композитов с полимерной матрицей, армированной графеном» . Материалы сегодня: Труды . Международная конференция по передовым материалам и приложениям (ICAMA 2016), 15-17 июня 2016 г., Бангалор, Каранатака, ИНДИЯ. 5 (1, Часть 3): 2419–2428. дои : 10.1016/j.matpr.2017.11.021 . ISSN 2214-7853 .
