Полимерлер. Композициялық материалдар.

Композициялық материалдардың жалпы сипаттамасы

Композициялық материалдар немесе композиттер деп қ ұ рылымы ә рқ айсысының ерекшелігін қ олдануғ а мү мкіндік беретін бір бірінен қ асиеттері бойынша қ атты айырмашылығ а бар компоненттерден тұ ратын кө лемді гетерогенді жү йені атайды. Композициялық материалдардың қ асиеттерінің спектрін кә дімгі материалдарды қ олдану арқ ылы алуғ а болмайды. Олар осығ ан дейін ә лі қ олжетімсіз болғ ан принципиалды жаң а қ ұ рылымдарды қ олдануғ а мү мкіндік береді.

Композиялық материалдар қ ұ рылыс материалдарының негізгі кө лемін жә не оларды бір-бірімен байланыстыратын жанаспалы қ абат беріктігін анық тайды, сондай-ақ талшық пен оның қ атты бө лшектегі қ ұ рамдық бө лігін қ ұ райды.

Композициялық материалдардың маң ызды сипатамалары – меншікті беріктік пен меншікті қ аттылық

Композициялық материалдың негізі болып, полимерлер, органикалық тұ тқ ырлар, кү шейткіш дисперсті толтырғ ыштар танылады. Қ азіргі заманғ ы композиялық материалдардағ ы толтырғ ыштарды, тек тұ тқ ырдың ысырабын азайтатын жә не композиттің қ ө рылысын беріктендіретін қ оспа ғ ана емес, сонымен қ атар жү йе қ ұ рылыстың пайда болуын басқ аратын жә не материалдағ ы берілген қ асиеттерді жобалауғ а мү мкіндік беретін компонент есебінде қ аралады.

Композициялық материалдар бірнеше жү йе қ ү рылыстық дең гейдегі бірінен кейін бірін ірілендіру мен жү йелік ұ йымдастыруды тү рлендіру принципі бойынша бө лінетін қ ырлары арқ ылы бір блокқ а топтастырылғ ан жү йе. Конгломератты кө п қ ұ рылымды жү йе сияқ ты сипатта жә не осылайша ұ йымдастыруды «блоктағ ы блок» немесе «қ ұ рылымдағ ы қ ұ рылым» деп атайды.

Дү ниежү зілік масштабта композициялық материалдар ө ндірісі жылдан жылғ а осуде. Композициялық материалдар салыстырмалы тө менгі тығ ыздық та бола тұ ра, жоғ арғ ы беріктігімен сипатталады. Олардың қ асиеттері, ү лкен меншікті қ ырымен, ә р тү рлі қ ұ рылымдағ ы заттардың физика-химиялық қ оспасындағ ы энергетикалық дең гейімен сипатталады.

Композициялық материалдардың салмағ ы, болатқ а қ арағ анда 4—5 есе аз. Сондай бола тұ ра олардың беріктігі 25 есе кө п болу мү мкін. Композициялық материал ә р тү рлі қ ұ рылымдағ ы заттардың физикалық, химиялық қ оспаларынан пайда болғ ан жаң а энергетикалық сападағ ы материал.

Дү ниежү зілік масштабта жылдан-жылғ а композициялық ма-териалдардың ө ндірісі ү лғ аюда. Егер Батыс Европа мен АҚ Ш 1977 жылы ә рқ айсысы 350 мың тоннадан композициялык материалдар ө ндірген болса, осыдан 10 жылдан кейін, яғ ни 1986 жылы, осы кө рсеткіш ү ш есе ө сті. 2000—2005 жылдары композициялық материалдарғ а сұ раныс 2, 5—3 млн тонна қ ұ рауы мү мкін. Демек, композициялық материалғ а қ арағ анда оның қ ымбаттығ ына орай, болашақ та болатқ а деген сұ раныс кілт азаяды.

Европалық елдерде басқ а материалдармен салыстырғ анда, композициялық материалдар 2—3 есе кө п шығ арылады. Композитті материалардың тө зімділігі ө зіне ұ қ сас материалдарғ а қ арағ анда 2—3 есе жоғ ары. Теориялық есеп бойынша 1 т композициялық материал 15-20 т болатты ауыстырады, ал іс жү зінде 1 т композитті материалдарды 4—5 т болаттың орнына қ олдануғ а болады екен.

Техникалық сипаттамалары. Композициялық материалдың қ ұ рамына байланысты қ орғ аушы қ абат келесі сипаттамаларғ а ие бола алады:

· Қ алың дығ ы 100 мкм дейін;

· Білік бетінің тазалық класы (9 дейін);

· 1 — 3 мкм болатын тесікшелер (поры);

· Ү йкеліс коэффициенті 0, 01 дейін.

Композициялық материалдардың классификациясы

Композициялық материал салыстырмалы иілгіш матрицалы материалды – негіз бен толтырғ ыш болатын анағ ұ рлым қ атты жә не берік компоненттерден тұ рады. Композициялық материалдар қ асиеттері негіздің, толтырғ ыштардың қ асиеттеріне жә не олардың арасындағ ы берік байланыстан тә уелді болады.

Матрица композицияны монополитке біріктіреді, оғ ан пішін береді жә не толтырғ ыштанжасалғ ан арматурағ а сыртқ ы кү штерді беру ү шін қ ызмет етеді. Негіздің материалына байланысты композициялық материалдар мынадай болып бө лінеді: металл матрицалы, немесе металл композициялық материалдар, полимерлі матрицалы – полимерлі композициялық материалдар, жә не керамикалық матрицалы –керамикалық композициялық материалдар.

Композициялық материалдарды беріктетуде басты рө лді толық тырғ ыштар атқ арады, олар кө бінесе беріктеткіштер деп аталады. Олар жоғ ары беріктікке, қ аттылық қ а жә не серпімділік модуліне ие. Беріктеткіш толтырғ ыштардың типі бойынша композициялық материалдар дисперстіберіктетілген, талшық ты жә не қ атпарлы деп бө лінеді.

Талшық ты композициялық материалдарда ә р тү рлі формалы талшық тар арматура бола алады: жіптер, ленталар, ә р тү рлі ө рілген сеткалар. Талшық ты композициялық материалдардың армирленуі біросьті, екіосьті жә не ү шосьті сұ лба бойынша орындала алады

Композициялық материалдардың артық шылық тары мен кемшіліктері

Композициялық материалдардың басты артық шылығ ы – материал мен қ ұ рылымының бір уақ ытта жасалуында. Композициялық материалдарды жасау барысында қ ажетті барлық сипаттамалар ескеріледі, соның арқ асында инженер оғ ан дә стү рлі материалдан асып тү сетін сипаттамаларды бере алады.

Басты артық шылық тары:

· Жоғ арғ ы меншікті беріктік (3500 МПа);

· Жоғ арғ ы қ аттылық (серпімділік модулі 130…140 - 240 ГПа);

· Жоғ арғ ы тө зімділік;

· Композициялық материалдан размерлері тұ рақ ты қ ұ рылымдар жасап шығ аруғ а болады;

· Жең ілдік.

Композициялық материалдар олардың кең таралуына кедергі болатын бірнеше кемшіліктерге ие.

· Қ ұ нының жоғ арылығ ы. Қ ұ нының жоғ ары болу себебі, ө ндірістің жоғ ары ғ ылымның қ ажеттілігі, яғ ни қ ымбат қ ұ рылғ ы мен шикізаттың керектігі, ал осының салдарынан мемлекеттің де ғ ылым базасы мен дамығ ан ө неркә сіптік ө ндірісі болуы керек.

· Тө мен екпінді тұ тқ ырлығ ы. Тө мен екпінді тұ тқ ырлық жоғ ары беріктік қ орын арттырудың себебі болады. Сонымен қ атар, тө мен екпінді тұ тқ ырлық композициялық материалдардан жасалғ ан бұ йымдардың тез бұ зылғ ыштығ ын, жасырын ақ аулардың пайда болу ық тималдығ ының жоғ арылылығ ын тү сіндіреді, олар тек бақ ылаудың инструменталды ә дісімен анық талады.

· Жоғ арғ ы меншікті кө лем. Композициялық материалдарды қ олдану кезінде олардың жоғ арғ ы меншікті кө лемі алатын кө лемі шектеулі салаларда маң ызды кемшілігі болады. Оғ ан, мысалы, аса жоғ арғ ы дыбыс авиация саласы жатады, ол жерде тікұ шақ тың кішкене болса да кө лемінің артуы, толқ ынды аэродинамикалық кедергінің кө п ө суіне алып келеді.

· Гигроскоптығ ы (ылғ ал сің іргіш). Композициялық материалдар ылғ ал сің іргіш болып келеді. Ұ зақ қ олдану жә не температуралардың кө п ө згеруі кезінде, судың композициялық материал қ ұ рылымына енуінен, бұ йымды ішінен бұ зады. Композициялық материалдар, мысалы, авиациялық керосин сияқ ты жоғ ары ө тімділікке ие басқ а да сұ йық тық тарды да сің іре алады.

· Ұ лағ ыштығ ы. Эксплуатация кезінде коспозициялық материалдар кө бінесе улы болатын бу бө леді. Сол себепті композициялық материалдарды жасау барысында, оның компоненттерінің адамғ а ә сері ескерілуі керек.

· Тө мен эксплуатациялық технологиялылығ ы. Композициялық материалдар тө мен эксплуатациялық технологиялылық пен тө мен жө ндеуге қ абілеттілікке жә не эксплуатацияның жоғ ары бағ асына ие. Кө п жағ дайларда композициялық материалдардан жасалғ ан бұ йымдарды мү лде жө ндеуге жарамсыз болады.

Композициялық материалдардың технологиясы мен қ асиеттері

Композициялық материалдың қ ұ рамындағ ы ә рбір компонент бастапқ ы қ асиеттерін сақ тайды. Композициялық материалдарғ а асбестцемент, ағ аш талшық ты плиталар, цементті-жаң қ алы плиталар, шыны талшық ты анизотропиялық материалдарды жатқ ызуғ а болады. Сондай-ақ композициялық материалдарғ а бетон, темірбетон, фибробетон жә не т.б. жатады. Қ азіргі уақ ытта ө те берікті жең іл материалдарғ а сұ раныс ө суде.

Халық шаруашылығ ының барлық салаларында шыныталшық ты пластиктер молынан қ олданылуда. Композициялық материалдарды машина — ұ шақ — ракета жасау бағ ыттарында мең геруде. Болашақ та жаң а қ ұ рылыс материалдары туралы ғ ылым оларды қ олданудың технологиясы мен ғ ылыми теория бағ ытында дамуы керек.

Сапалы композициялық қ ұ рылыс материалдарын алу ү шін компоненттердің жоғ арғ ы шыдамдылығ ы мен беріктігін, оның берікті желімделуін, матрицаның иілгіштігі мен қ аттылық тың ең жогарғ ы дә режесіне жетуін қ амтамасыз ету қ ажет. Бір жағ ынан, композиттердің сапалы кө рсеткіштерінің ө зара байланыстығ ы, екінші жағ ынан, ө зара байланыстық тың технологиялық параметрлері мен қ ирау механизмінің тә уелдігін зерттеу композициялық материалдың беріктігін ө сіруші факторларды анық тауғ а мү мкіндік береді.

Композициялық материалдың беріктігін, матрицаның иілгіштігі мен қ аттылығ ын қ амтамасыз ететін кө птеген ә дістер бар.

Атап айтсақ, қ аң қ алы талшық ты бағ ытта орнық тыру арқ ылы, композиттің беріктік кө рсеткіштерін, майысқ ақ тығ ын, температурағ а шыдамдылығ ын жә не басқ а да қ асиеттерін жақ сартуғ а болады. Мұ ндай жағ дайда композициялық материалдардың қ ұ рамын дұ рыс есептеу керек жә не компоненттердің тиімді арақ атынасын анық тағ ан жө н.

Талшық ты композициялық материалдарды ә р тү рлі белгілерімен жіктеуге болады. Мысалы, қ олданылатын шикізаттың тү ріне, каң қ алаудың сипаттамасына, матрица материалының ө згешелігіне (полимерлі, темірлі, керамикалы, кө міртекті), қ аң қ алайтын талшық тү ріне (шыныпластиктер, боропластиктер) жә не т.б. қ арай.

Қ аң қ алайтын талшық, композициялық материалдар қ ұ рамында біркелкі тегіс қ абатпен, ө зара параллельді бағ ытта немесе ішкі себептерге байланысты жә не шатасып оралғ ан, мысалы, тоқ ылатын арматура сияқ ты орналасуы мү мкін.

Композициялық материалдың қ аң қ алаушы қ ұ растырушылары, тығ ыздық пен беріктіктіқ амтамасыз ететін материалдар, майда ұ нтақ талғ ан ұ нтақ, микроталшық тү рінде болуы мү мкін. Майда ұ нтақ талғ ан дисперсиялы толық тырғ ыштар барлық кө лемге біркелкі таратылады.

Толтырғ ыштардың меншікті беттерінің ө суіне орай композициялық материалдың кө леміндегі толтырғ ыштың тиімді мө лшері де ө седі.

Композиттердің беріктігі, қ аттылығ ы, жылуғ а тө зімділігі елеулі тү рде матрицаның материалымен анық талады, яғ ни байланыстырғ ыштың тү рімен айқ ындалады. Полимерлі, каучукты, битумды матрицалар материалдың беріктігі мен иілгіштігін қ амтамасыз етеді.

Қ ирау процесінде материалда сызаттар пайда болады, олардың дамуынатолық тырғ ыштардың бө лшектері кедергі жасайды. Сызаттың, энергиясының біразын толық тырғ ыш қ асындағ ы байланыс жұ тады. Мү ндай жағ дайда дамып ө сіп келе жатқ ан сызат қ исаяды, тармақ талады, толық тырғ ыш бө лшектерінің тө ң ірегіндегі қ озғ алу жолының ө суіне орай сызаттың тарау жылдамдығ ы бә сең дейді. Кө п жағ дайда бұ зылудың кө зі болатынын, байланыстырушымен бү ркелмеген кішкене бө лшекті агрегаттар екенін білген жақ сы. Материалдың ішкі жү йе қ ү рылымын, компоненттердің ә р тү рлі термиялық ү лғ аюынан пайда болғ ан қ алдық ты кернеулер ә лсіретеді. Осы кернеулердің кө бі байланыстырғ ыш пен толтырғ ыштың жапсарларынан біраз қ ашық тық та топтанғ ан. Майысу мен созылуғ а жұ мыс істейтін композициялық материалдарды алу ү шін, ө зіне созылмалы кернеулерді қ абылдайтын жоғ арғ ы берікті талшық тарды қ олданады. Талшық ты композициялық материалдардың ішкі жү йе қ ұ рылымы ұ нтақ ты толтырғ ыштар негізінде алынғ ан композиттердің жү йелік қ ұ рылымынан елеулі тү рде ерекшеленеді. Композиттің кө леміндегі ү нтақ ты толық тырғ ыштың ү лесіне 15—25% тиеді. Осындай жағ дайда толық тырғ ыш барлық кө лемге біркелкі бө лініп тү седі. Ал талшық тың кө лемі композит кө лемінің 75% алуы ық тимал. Қ аң қ аланғ ан талшық ты композициялық материалдар жоғ арғ ы беріктігімен, майысқ ақ тығ ымен, тығ ыздығ ымен, ә р тү рлі температуралы жағ дайларда қ асиеттерінің сақ талуымен, химиялық ә серлерге тө зімділігімен ерекше кө зге тү седі.

Талшық ты композициялық материалдарды алу ү шін талшық ты шыны, органикалық талшық, болат сым, жіптер, таспалар, торлар қ олданылады. Композит қ ү рамына енетін бө лшектердің атомдары мен молекулалары бірін-бірі теуіп алшақ тамай, керісінше берік желімдеуді, талшық тар мен матрицаның бірігуін қ амтамасыз етуі керек. Матрицаның жағ дайы ә рбір қ ұ рамдағ ы компоненттің кернеулі дең гейімен байланысты, кернеу мен деформация изотроптың жә не анизотроптық материалдарда деформациялық кернеудің ө стері ү йлесіп келеді, ал анизотроптық материалдарында дә л келмейді, яғ ни ү йлеспейді. Атап айтқ анда, сондық тан талшық тары тә ртіппен орналасқ ан изотропты композициялық материалдардың иілгіштігі, шатасқ ан талшық ты қ аң қ аланғ ан анизотроптық материалдардың майысқ ақ тығ ынан жоғ ары.

Кең қ олданылатын тауарларда. Мысалы:

· Темірбетон – бұ рыннан белгілі жә не қ арапайым композициялық материал.

· Балық ты аулауғ а арналғ ан шыныпластиктен немесе кө мірпластиктен жасалғ ан қ армақ сап.

· Шыныпластикті қ айық тар.

· Автокө лік дө ң гелегінің тысы.

Спорттық қ ұ ралдарда. Композиттер спортта берік орнығ ып алғ ан: жоғ ары жетістіктер ү шін жоғ ары беріктік пен аз салмақ қ ажет, ал бағ асы аса маң ызды емес.

· Велосипеттер.

· Тау шаң ғ ы спортына қ ажетті қ ұ ралдар – таяқ пен шаң ғ ылар.

· Хоккей сырғ ытпа таяғ ы мен коньки.

· Жарыс автокө лікері мен мотоциклдердің бө лшектері.

· Шлемдар.

Медицинада. Тіс пломбаларының материалдары. Пластикті матрица жақ сы толық тыру ү шін, ал шыны бө лшектерінен тұ ратын толтырғ ыш беріктікті қ амтамасыз етеді.

Машина жасауда. Машина жасауда композициялық материалдар ү йкеліс беттерінде қ орғ аныс қ абаттарын жасау ү шін пайдаланылады, сонымен бірге іштей жанатын қ озғ алтқ ыштар ү шін алуан бө лшектер жасау ү шін қ олданылады.

Қ арулы жә не ә скери техникада. Композициялық материалдар ө зінің беріктік пен жең ілдік қ асиеттері арқ асында ә р тү рлі бронилер қ олдануда ә скери істерде қ олданылады:

· Бронежилеттер;

· Ә скери техникағ а арналғ ан броньдар.

Авиация мен космонавтикада. Авиация мен ракетты-ғ арыштық техникада бор талшық ты композициялық материалдар кең қ олданылады. Борпластиктан жә не бороаллюминийден жасалғ ан бө лшектерді АҚ Ш-тың «Локхид», «Боинг», «Дженерал Дайнемикс» сияқ ты алып фирмалар қ олданады. Олардан кө лдең ен жә не тік стабилизаторлар, рульдер, бұ ранда қ алағ ын, қ анат қ аптауларын жә не т.б. жасайды. Титанды қ оспалармен салыстырғ анда бороалюминийден жасалғ ан бө лшектер массаны 30 – 40 % азайтады, бұ л обеспечивая более высокую длительную и усталостную прочность при нагреве до 500°С температурағ а дейін қ ыздыру кезінде анағ ұ рлым жоғ ары ұ зақ тық тылық пен беріктілікті қ амтамасыз етеді.

Бороалинийді одан да жақ сы ракетты-ғ арыштық техникада қ олданады. Оның «Атлас» ракетасы, космических кораблей «Аполлон», «Шаттл» ғ арыштық кемелері ү шін ү лкен бө лшектерді жасауда қ олданылуы олардың массасын 20 – 50 % кемітуге мү мкіндік берді. Бұ л жағ дай, ө з кезегінде, пайдалы кү шті арттырды, ал ә скери тікұ шақ тар ү шін – ұ шу алыстығ ын, қ арулану кө лемін жә не т.б.

«Toyota» фирмасы (Жапония) машина жасау бө лшектеру ү шін металл композициялық материалдарды жасап шығ арды. Алюминийді ә р тү рлі қ атынаста Аl₂О₃ жә не SiO₂ (шамамен диаметрі 3 мкм жә не ұ зындығ ы 10 мкм дейін) қ ысқ а талшық тармен армирледі. Аl₂О₃ массалық ү лесі артқ ан сайын беріктік пен серпімділік модулі артады, ал SiO₂ талшық тар мө лшерінің артуымен тө зімділік артады. Бұ л материалды никельді қ оспалар орнына поршеньде қ аптамасын жасауда қ олданады, бұ л қ озғ алтқ ыштың жану камерасындағ ы температураны жә не оның қ уатын арттыруғ а септігін тигізді. Поршендердің тө зімділіктерінің артуының арқ асында автокө ліктердің жү ріс ұ зақ тық тары (пробег) 300 мың км. дейін артты.

Жоғ ары молекулалы қ осылыстар немесе полимерлер (гр. π ο λ ύ - — кө п, μ έ ρ ο ς — бө лік, бө лігі) — молекула қ ұ рамында ө зара химикалық немесе координаттық байланыстармен қ осылғ ан жү здеген, мың дағ ан атомдары бар жә не ө здеріне ғ ана тә н қ асиеттермен ерекшеленетін заттар тобы.

Жоғ ары молекулалы қ осылыстар кө біне молекулалары кө п қ айталанып отыратын мономерлер тізбегінен тұ рады. Олардың ішіндегі ең қ арапайымы — полиэтилен, оның мономері — этилен. Жоғ ары молекулалы қ осылыстар табиғ и (ақ уыздар, нуклеин қ ышқ ылдары, табиғ и шайырлар), жасанды (табиғ и полимерді химикалық реактивтермен ә рекеттестіру кезінде алынатын), синтетикалық (полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиамид, фенолды шайыр, т.б.) болып ү ш топқ а бө лінеді. Табиғ и жоғ ары молекулалы қ осылыстар Биосинтез барысында тірі организм клеткаларында тү зіледі. Синтетикалық жоғ ары молекулалы қ осылыстар мономерлерді поликонденсациялау, полимерлеу арқ ылы алынады. Олардың тізбектері ашық, бірінен соң бірі тү зу сызық бойымен орналасқ ан мономер бө ліктерінен, тарамдалғ ан немесе тор тә різді Жоғ ары молекулалардан қ ұ ралғ ан (қ. Полимерлер). Жоғ ары молекулалы қ осылыстар машина жасауда, қ ұ рылыста, ауыл шаруашылығ ында, электртехникада, медицинада, т.б. кө птеген салаларда кең інен қ олданылады