Автор: Султанбаева Энже Ураловна
Возраст: 14 лет
Место учебы: МОБУ гимназия №5
Город, регион: г. Давлеканово, респ. Башкортостан, РФ
Руководитель: Ахмадеева Гулюза Юлаевна, учитель физики МОБУ гимназия №5 г. Давлеканово
Экологичные материалы для самолетов
Содержание
Введение.
Глава 1. Исследование композитов.
1.1 Композиционные материалы.
1.2 Эффективность и преимущества применения композиционных материалов
1.3 Структура композитных материалов.
1.4 Классификация полимерных композиционных материалов.
1.5 Сферы применения композиционных материалов.
1.5.1 Композиты в аэрокосмической отрасли.
Заключение.
Список литературы.
Введение
Уровень развития техники в значительной степени определяется наличием необходимых материалов. Развитие научно-технического прогресса требует разработки новых материалов с высокой прочностью и модулем упругости, с высокой надежностью и долговечностью, термо- и светостабильностью, водостойкостью и стойкостью в агрессивных средах, атмосферо- и погодоустойчивостью, позволяющих получать конструкции с минимальной массой, достаточно легко перерабатываемых, способных работать при высоких и низких температурах, в тяжелых условиях нагружения. Но открытие принципиально новых материалов происходит крайне редко, поэтому в настоящее время основным направлением в разработке новых материалов является создание материалов путем соединения уже известных, т. е. получение композиционных материалов. Аналогичная ситуация и в области полимерного материаловедения – требуются полимерные материалы с новыми свойствами, но создание новых полимеров и освоение их выпуска практически не происходит. Кроме того, традиционные полимеры в большинстве случаев не удовлетворяют жестким и часто противоречивым требованиям, предъявляемым к новым материалам. А композиционный материал позволяет широко варьировать свойства материала и достигать свойств, не присущих компонентам в отдельности. Поэтому модификация известных полимеров и комбинирование их с различными веществами и между собой является в настоящее время одним из основных способов создания новых полимерных материалов. Существуют следующие виды полимерных композиционных материалов (ПКМ): полимеры, содержащие твердые дисперсные частицы или волокна; смеси полимеров; полимеры, содержащие жидкости в виде включений или пластификаторов; полимеры, содержащие газообразные наполнители. Введение того или иного наполнителя в определенном количестве, выбранный способ получения композита позволяют разработать материал с особым комплексом свойств, существенно зависящих от вида наполнителя, и, в ряде случаев, удешевить его. Несмотря на успехи в области получения полимерных композитов, теоретические основы, позволяющие установить закономерности между составом и условиями получения композита с его структурой и свойствами до сих пор отсутствуют. Поэтому экспериментальные достижения в области разработки композиционных полимерных материалов значительно опережают их теоретическую интерпретацию. В связи с этим расширение и углубление знаний о полимерных композиционных материалах является актуальным.
Цель данной работы – изучить требования к полимерным и композиционным материалам «нового поколения» и рассмотреть перспективные области их использования.
Задачи:
- Указать характеристики полимерных и композитных материалов.
- Показать классификацию полимерных и композитных материалов.
- Описать методы получения полимеров и композитов.
- Выделить направления использования полимеров и композиционных материалов.
Глава 1. Исследование композитов
1.1 Композиционные материалы
Композитные материалы (они же композиционные материалы, композиты) образуются путем соединения двух или более материалов, которые имеют совершенно разные свойства, не растворяются и не смешиваются друг с другом.
В целом, композит состоит из трех компонентов:
- матрица как непрерывная фаза
- армирующие элементы как дисперсная фаза (включая волокна и частицы, жгуты, нити, ленты, ткани)
- тонкая межфазная область, также известная как граница раздела
Тщательно выбирая матрицу, арматуру и производственный процесс, который соединяет их вместе, инженеры могут настроить свойства итогового композиционного материала для удовлетворения конкретных требований.
Композит – не изобретение человека, они существуют и в природе. Например, кусок дерева – это композит, в котором длинные целлюлозные волокна удерживаются вместе веществом под названием лигнин. Различные материалы в композите работают вместе, придавая композиту уникальные свойства.
Люди используют композитные материалы уже тысячи лет в различных областях. Первые случаи применения композитов относятся к 1500 году до н.э., когда первые египтяне и месопотамские поселенцы использовали смесь грязи и соломы для создания прочных и долговечных зданий. Сочетание грязи и соломы в кирпичном блоке придавало ему прочные свойства как на сжатие, так и на разрыв или изгиб.
В 1200 году нашей эры монголы изобрели первый композитный лук, используя комбинацию "животного клея", кости и дерева. Луки прессовались и обматывались берестой. Эти луки были мощными и точными. Композитные монгольские луки помогли обеспечить военное господство Чингисхана.
Благодаря своим преимуществам, таким как малый вес и прочность, многие из величайших достижений в области композитов стали результатом потребностей военного времени. Во время Второй мировой войны было разработано множество композитных материалов, которые были перенесены из лабораторий в реальное производство.
Развитие и потребность в композитных материалах также привели к появлению индустрии полимеров, армированных волокном. К 1945 году более 7 миллионов килограмм стекловолокна было использовано для производства различных изделий, в основном военного назначения. После войны производство композитных материалов продолжало набирать обороты и быстро развивалось в 1950-е годы. Новаторы в области композитов амбициозно пытались внедрить композиты на другие рынки, такие как аэрокосмическая промышленность, строительство и транспорт. Вскоре преимущества стекловолоконных композитов, особенно их коррозионная стойкость, стали известны в государственном секторе. Лодки были одним из очевидных продуктов, которые выиграли от этого. Первый корпус коммерческой лодки из композитного стекловолокна был представлен в 1946 году. Полный корпус автомобиля был изготовлен из композита и испытан в 1947 году.
Наступление автомобильной эры привело к появлению нескольких новых методов формовки, таких как компрессионная формовка объемной формовочной смеси и листовой формовочной смеси. Эти два метода стали доминирующими методами формовки для автомобильной промышленности и других отраслей. В начале 1950-х годов были разработаны такие методы производства, как крупномасштабная намотка нитей и формовка в вакуумных мешках. В 1960-х годах рынок морских перевозок стал крупнейшим потребителем композитных материалов.
В 1961 году было запатентовано первое углеродное волокно, которое через несколько лет стало коммерчески доступным.
В 1970-х годах индустрия композитов начала развиваться. В этот период было разработано множество лучших смол и усовершенствованных армирующих волокон для применения в композитах. В 1970-х годах автомобильный рынок превзошел морской как рынок номер один, и эта позиция сохраняется и сегодня.
В конце 1970-х - начале 1980-х годов композиты впервые стали применяться в инфраструктуре в Азии и Европе. Первый полностью композитный пешеходный мост был установлен в Аберфелди, Шотландия, в 1990-х годах.
Композиты продолжают находить широчайшее применение и сегодня. Наноматериалы включаются в улучшенные волокна и смолы, используемые в новых композитах. Нанотехнологии начали использоваться в коммерческих продуктах в начале 2000-х годов. Объемные углеродные нанотрубки могут использоваться в качестве композитного армирования в полимерах для улучшения механических, тепловых и электрических свойств объемного продукта.
1.2. Эффективность и преимущества применения композиционных материалов
Преимущества композитных материалов и вариативность соединения веществ позволяют добиться высокой экономической целесообразности их производства. Разработка и применение композита в какой-либо области промышленности или производства дает значительный экономический эффект, упрощая конструкционные решения и тем самым снижая стоимость технологического процесса. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30 % веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$.
Типы композиционных материалов
За последние десятилетия было разработано множество новых композитов, некоторые из которых обладают очень ценными свойствами.
Любой материал может служить матричным материалом для композита. Однако матричные материалы обычно бывают трех типов:
- Керамика
- Металлы
- Полимеры
В действительности, большинство композитных материалов, существующих на рынке композитов, являются полимерами. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная.
Существует несколько различных полимерных матриц, которые могут быть использованы в композитных материалах:
- Термореактивные матрицы
- Термопластичные матрицы
Среди композитов с полимерной матрицей преобладают композиты с термореактивной матрицей, а не с термопластичной. Хотя термореактивные и термопластичные материалы звучат похоже, они имеют совершенно разные свойства и области применения. Понимание различий в характеристиках может помочь в принятии лучших решений по выбору поставщиков и проектированию изделий из композитов.
1.3 Структура композитных материалов
По структуре композиты делятся на несколько основных классов:
- волокнистые
- дисперсно-упрочненные
- упрочненные частицами
- нанокомпозиты
-
Полимерные композитные материалы (ПКМ): термопласты и реактопласты
Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. В целом ПКМ делятся на две большие группы по типу матрицы – термореактивные (реактопласты) и термопластичные (термопласты).
Термореактивные полимерные матрицы - это полимерные материалы, которые подвергаются химической реакции или отверждению и обычно переходят из жидкого состояния в твердое. В незатвердевшем виде материал имеет небольшие, несвязанные молекулы, известные как мономеры. Добавление второго материала в качестве сшивателя, отверждающего агента, катализатора и/или присутствие тепла или других активирующих воздействий инициирует химическую реакцию или реакцию затвердевания. В ходе этой реакции молекулы сшиваются и образуют значительно более длинные молекулярные цепи и сеть поперечных связей. Изменение термореактивного состояния является постоянным и необратимым. Впоследствии воздействие высокой температуры после затвердевания приведет к разрушению материала, а не к его плавлению. Это происходит потому, что эти материалы обычно разрушаются при температуре ниже той, при которой они могут расплавиться.
Термопласты - это пластмассы, способные к расплавлению. Термопластичные материалы обрабатываются теплом. Когда добавляется достаточно тепла, чтобы температура пластика поднялась выше точки плавления, пластик плавится, разжижается или становится достаточно мягким для переработки. Когда источник тепла удаляется и температура пластика опускается ниже точки плавления, пластик снова застывает в стеклоподобное твердое вещество. Этот процесс может повторяться, при этом пластик плавится и застывает по мере того, как температура поднимается выше и опускается ниже температуры плавления, соответственно. Однако в расплавленном состоянии материал может подвергаться все большему разрушению, поэтому существует практический предел количества раз, которое может быть проведено при такой переработке, прежде чем свойства материала начнут ухудшаться. Многие термопластичные полимеры являются полимерами добавочного типа, способными создавать очень длинные молекулярные цепи или очень высокие молекулярные веса.
Как термореактивные, так и термопластичные материалы имеют свое место на рынке. В общих чертах, термореактивные материалы, как правило, существуют уже долгое время и занимают прочное место на рынке, часто имеют более низкую стоимость сырья и легкое формование конечной геометрии детали. Другими словами, термореактивные материалы часто легче обрабатывать, чем термопластичные.
Термопластики, как правило, более жесткие или менее хрупкие, чем термореактивные материалы. Они могут обладать лучшей химической стойкостью, не нуждаются в охлаждении, как это часто бывает с неотвержденными термореактивными материалами, и легче поддаются переработке и ремонту. В таблице представлено сравнение между термореактивными и термопластичными материалами.
1.4 Классификация полимерных композиционных материалов
Полимерные композитные материалы делятся на классы по типу наполнителя. Всего насчитывается несколько основных классов: стеклопластики (стекловолокниты, стеклопласты), углепластики (карбоволокниты, углепласты, карбон), боропластики (боропласты), органопластики (органопласты), полимеры наполненные порошками (наполненные полимеры), текстолиты, нанопластики.
1.5 Сферы применения композиционных материалов
В настоящее время композитная индустрия продолжает развиваться, причем значительная часть роста сейчас сосредоточена вокруг возобновляемых источников энергии. Лопасти ветряных турбин, в частности, постоянно расширяют границы размеров и требуют передовых композитных материалов. Например, инженеры могут разработать композит с учетом требований к производительности, сделав композитный лист очень прочным в одном направлении путем выравнивания волокон, но более слабым в другом направлении, где прочность не так важна. Инженеры также могут выбирать такие свойства, как устойчивость к нагреванию, химикатам и атмосферным воздействиям, выбирая соответствующий материал матрицы. В последние годы растущее экологическое сознание и понимание необходимости устойчивого развития повысили интерес к использованию натуральных волокон в качестве армирующих элементов в композитах взамен синтетических волокон.
Композиты обладают множеством преимуществ, таких как коррозионная стойкость, легкий вес, прочность, снижение стоимости материалов, повышение производительности, гибкость конструкции и долговечность. Поэтому в самых разных отраслях промышленности используются композитные материалы и некоторые из их распространенных применений.
Композиционные материалы применяются в автомобилестроении, ветроэнергетике, авиастроении, железнодорожной промышленности, судостроении, строительстве, ракетостроении, спорте, медицине, нефтепромышленности и во многих других областях.
1.5.1. Композиты в аэрокосмической отрасли
Потенциал использования композитных материалов для широкомасштабного применения в авиации очень высок. К производителям композитов часто обращаются за инновационными подходами и решениями для конструирования самолетов, ракет и космических аппаратов. Композиты с термореактивными материалами используются для переборок, фюзеляжей, крыльев и других применений в коммерческой, гражданской и военной аэрокосмической промышленности. Существует ряд других применений композитов в таких областях, как поверхности воздушных теплообменников, антенные конструкции, лопасти компрессоров, двери моторного отсека, лопасти вентиляторов, маховики, конструкции трансмиссии вертолетов, реактивные двигатели, радары, ракетные двигатели, солнечные отражатели, спутниковые конструкции, лопасти турбин, валы турбин, валы роторов в вертолетах, конструкции коробки крыл.
Заключение
Цель данной работы – изучить требования к полимерным и композиционным материалам, достигнута. Задачи: указать характеристики полимерных и композитных материалов, показать классификацию полимерных и композитных материалов, описать методы получения полимеров и композитов, выделить направления использования полимеров и композиционных материалов, выполнены.
Список литературы
- И. С. Тюкова; М-во образования и науки РФ, Урал. гос. ун-т им. А. М. Горького. — Екатеринбург : [б. и.]. — 2011. — URL: https://elar.urfu.ru/handle/10995/3568 (дата обращения: 21.09.2024).
- Полимерные композиционные материалы. Прочность и технологии / С. Л. Баженов, А. А. Берлин, А. А. Кульков [и др.]. — Москва : ИД Интеллект, 2010. — 352 с.
| 
