ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" Кафедра физики твердого тела МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к практическим занятиям по курсу «Перспективы развития композиционных материалов» для студентов направления 16.03.01 «Техническая физика» (профиль «Физическая электроника») очной формы обучения Воронеж 2014 Составитель д-р физ.-мат. наук Ю.Е. Калинин УДК 539.67, 548:537.621 Методические указания к практическим занятиям по курсу «Перспективы развития композиционных материалов» для студентов направления 16.03.01 «Техническая физика» (профиль «Физическая электроника») очной формы об учения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Ю.Е. Калинин. Воронеж, 2014. 35 с. В методических указаниях приводятся краткие теоретические сведения и вопросы для практических (семинарских) занятий. Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле МП(ПРКМ).doc. Предназначены для студентов третьего курса. Ил. 2. Библиогр.: 6 назв. Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. А.Т. Косилов Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014 1. Введение в функциональные композиционные материалы Создание новых материалов и технологий – несомненный приоритет технически развитых стран, имеющий высокий экономический, политический и социальный резонанс, и приносящий огромные дивиденды глобальному научнотехническому прогрессу. Тенденции развития современного материаловедения – это удивительный, но пока еще не совсем оптимальный, многокомпонентный сплав направлений развития века прошлого и века наступившего. Значительная часть фактических знаний, составляющих основу неорганической химии, т.е. химии элементов и образуемых ими простых и сложных веществ, была накоплена достаточно давно, однако во второй половине XX века неорганическая химия оказалась в тени фантастических достижений органической химии и химии живых систем. Прогресс в электронике, фотонике, сенсорике и спинтронике, немыслимый без создания новых поколений функциональных материалов, привел к своего рода ренессансу неорганической химии, наблюдаемому последние 10 – 15 лет. Большое значение в области неорганического материаловедения имеют твердофазные электролиты и электродные материалы (топливные ячейки, источники тока, сенсоры в кардиохирургии, электрическом транспорте, сотовой связи), новые оптоволоконные стекла, материалы на основе нитрида кремния, высокотемпературные сверхпроводники, материалы со сверхвысокими температурами плавления, наноматериалы, сверхтвердые композиционные материалы и другие. Принципы, положенные в основу современных классификаций материалов, весьма разнообразны и зависят от того, с какой целью создается та или иная классификационная схема. Обычно материалы классифицируют по составу, формам существования, структуре, функциональным свойствам, а также областям применения. Наиболее общая классификация материалов включает их условное разделение на функциональные и конструкционные материалы. Конструкционные материалы используются для создания разнообразных конструкций, включая высотные дома, пролеты мостов, трубопроводы, химические реакторы большой единичной мощности, машины, авиалайнеры, баллистические ракеты и т.д. С этой точки зрения наиболее важными являются механические и термические свойства конструкционных материалов, такие, как механическая и термическая прочность, износостойкость, упругость, коэффициент термического расширения и т.д. Отличительной особенностью многих конструкционных материалов является крупнотоннажность их производства и взаимозаменяемость, наглядно иллюстрируемая в историческом аспекте заменой специальных сортов стали в авиационной и автомобильной промышленности алюминиевыми, титановыми, магниевым сплавами, стеклопластиками и т.д. К конструкционным материалам электронной техники предъявляются аналогичные требования по их временной, температурной стабильности, механической прочности, стойкости к термоударам. Применение этих материалов обусловлено их конкретным назначением и свойствами. Функциональные материалы – это материалы преимущественно с нелинейными физическими свойствами, такими как электрические, магнитные, оптические, «биологические», «квантовые», а также с самыми разнообразными комбинациями этих свойств. По составу современные твердофазные материалы исключительно разнообразны, поскольку при их создании используют практически все элементы периодической системы им. Д.И.Менделеева. В первую очередь, их можно разделить на материалы органической и неорганической природы, а также на металлические, неметаллические и композиционные материалы. Сочетание обоих типов компонентов – органических и неорганических - дает гибридные многофункциональные материалы (если они состоят из одной фазы) или композитные материалы (состоящие из нескольких фаз). Таким образом, композиционные материалы состоят из двух или большего количества фаз с границами раздела между ними. Неорганические материалы, как правило, многокомпонентны, нестехиометрич2 ны и часто тоже состоят из нескольких фаз, образуя композиты. Даже если материал содержит один «макрокомпонент», то для улучшения свойств в него часто вводятся многочисленные легирующие добавки, количество которых может достигать нескольких десятков. Композитные материалы являются симбиозом нескольких взаимодействующих фаз (фаз в строгом термодинамическом определении, а не одну единственную фазу, как, например, в случае гибридных материалов). Керметы и стеклокерамика – представляют собой типичные композитные материалы с уникальными свойствами. На рис. 1 приведены другие примеры композитных материалов – наноструктурированные системы (металл-содержащие мезопористые структуры на основе диоксида кремния, оксида алюминия, слоистых двойных гидроксидов), тонкопленочные гетероструктуры, стеклопластики, дисперсионно-упрочненная керамика. Все эти материалы обладают улучшенными механи- Рис. 1. Классификация композиционных материалов по формам существования 3 ческими и функциональными характеристиками, отличными от свойств материалов - «родителей». Наиболее сложна классификация материалов по их функциональной принадлежности (рис. 2), поскольку функциональные свойства материалов весьма разнообразны и часто взаимно коррелируют друг с другом. Биоматериалы и наноматериалы – примеры собственных обширных подклассов материалов. Специфическим классом «аналитических» материалов, функционирование которых основано на разнообразнейших физических и физико-химических эффектах, являются сенсорные материалы, реагирующие на изменение магнитных, электрических полей, присутствие излучения, изменение температуры, а также химических свойств окружающей конденсированной или газовой среды. Рис. 2. Классификация материалов по функциональным свойствам 4 В большинстве случаев (рис. 2) материалы характеризуются только одним ярко выраженным свойством, превалирующим над остальными. При подобном подходе обычно выделяют свойства, которые связаны с наиболее изученными формами энергиями (или различными точками на единой шкале энергий) – движением электронов или других носителей заряда (ионов), магнитными взаимодействиями, электромагнитным излучением и термическими эффектами. Соответственно, существуют материалы с электрическими, магнитными, теплофизическими функциями, суперионики и оптические материалы. В связи с развитием атомной энергетики рассматриваемую схему можно было бы дополнить также материалами с ядерными функциями (ядерное горючее, защита от ионизирующих излучений, замедлители нейтронов, хранение радиоактивных отходов). Материалы с электрическими функциями исключительно многообразны по свойствам, но среди последних в первую очередь выделяют электропроводность, обусловленную движением электронов и обнаруживаемую, когда вещество находится в контакте с другими электронными проводниками. Диапазон изменения электропроводности материалов исключительно велик. Так, проводимость серебра отличается от проводимости кварца примерно на 20 порядков. Известно, что в металлах проводимость обусловлена движением свободных электронов, число которых соизмеримо с суммарным числом атомов в кристаллической решетке. Идеальная решетка не создает препятствий движению электронов и такие препятствия при комнатной и более высоких температурах возникают благодаря тепловым колебаниям атомов. В полупроводниках возникает запрещенная зона, что позволяет реализовать управление потоком электронов за счет контролирующего потенциала, изменяющего ширину этой зоны (транзистор), падающих фотонов (фотоэффект), магнитного поля (магнитные полупроводники), температуры (терморезисторы) и т.д. В суперионных проводниках реализуется перемещение заряда не под действием (или не только под действием) электронов, а с участием других носи5 телей заряда - катионов или анионов. В ряде случаев суперионики можно считать подклассом диэлектриков, если в них отсутствует смешанная электрон-ионная проводимость. Материалы с магнитными свойствами концентрируют магнитное поле (например, постоянные магниты) или служат для записи импульсов магнитного поля; в этом случае используется нелинейный эффект спонтанной намагниченности и разбиения материала на магнитные домены. Оптические материалы связаны с генерацией излучения (различные виды люминесценции и полупроводниковые лазеры), его трансформацией, обработкой и записью (оптика и нелинейная оптика), а также с передачей сигналов на большие расстояния. Для теплофизических материалов реализуются теплоизоляционные и барьерные свойства, или, напротив, они способны служить теплогенерирующими (нагревательными) элементами. В большинстве случаев следует говорить о полифункциональных материалах, материалах с несколькими комбинированными свойствами или новыми гибридными свойствами, возникшими из-за взаимодействия различного рода потоков и физических эффектов в веществе. Именно к такого сорта материалам относятся наиболее перспективные современные семейства материалов, и именно они оказываются наиболее интересными, поскольку позволяют управлять одной из требуемых характеристик материала за счет прецизионного изменения другой. Так, сверхпроводники являются одновременно материалами с нулевым электрическим сопротивлением и идеальными диамагнетиками. Материалы с колоссальным магнетосопротивлением демонстрируют существенную зависимость электрического сопротивления от приложенного магнитного поля (в большинстве случаев они являются магнитными полупроводниками). Материалы с электрохромным эффектом демонстрируют зависимость экстинкции (или прозрачности) от приложенного электрического поля. Электрооптические и магнитоооптические пленки изменяют поляризацию света в зависимости от элек6 трического или магнитного поля, соответственно. Термоэлектрики (материалы с электрокалорическим эффектом) и магнитокалорические материалы охлаждаются под действием электрического или магнитного поля. Полупроводниковые материалы «солнечных элементов» демонстрируют трансформацию энергии фотонов в разность потенциалов (возникновение электродвижущей силы). Наоборот, в полупроводниковых лазерах возможно превращение электрической энергии в излучение. Нелинейные диэлектрики имеют целую гамму практически полезных свойств – пьезоэлектрических, пироэлектрических и др. «Умные» сегнетоэлектрические и ферромагнитные материалы разбиваются на домены под действием электрического или магнитного поля, а пьезоэлектрические и магнитострикционные материалы демонстрируют взаимодействие элекрического потенциала или напряженности магнитного поля и деформации. Особенно многообещающими являются гибридные материалы, которые могут демонстрировать даже «тройственную» взаимосвязь эффектов, например, проявлять магнитофотоэлектрические свойства. Таким образом, функциональные композиционные материалы многообразны, и, как правило, состоят из неорганических фаз, в то время как среди конструкционных материалов наибольшее внимание в последние годы уделяют полимерным композиционным материалам (ПКМ). 2. Введение в полимерные композиционные материалы 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 и.т.д. В настоящее время круг материалов, созданных и используемых в быту, технике, особенно военной, чрезвычайно широк. Однако с небольшой долей пристрастности современную эпоху можно назвать веком полимеров. 7 В этой разделе мы остановимся лишь на одном типе полимерных материалов: полимерных композитах или армированных пластиках, которые состоят из высокопрочных волокон различной природы (стеклянных, углеродных, полимерных и других) и полимерного связующего — матрицы, склеивающей волокна в прочнейший монолитный материал. История возникновения искусственных композиционных материалов восходит к истокам цивилизации, когда человек начал сознательно конструировать новые материалы. Первые упоминания об армированных строительных материалах можно найти в Библии. В Египте и Месопотамии строили речные суда из тростника, пропитанного битумом (прототип современных стеклопластиковых лодок и тральщиков). Изготовление мумий в Египте можно считать первым примером использования метода ленточной намотки (мумии обматывались лентой из ткани, пропитанной смолой). Все это происходило за тысячелетия до новой эры. Конечно же, здесь следует упомянуть и о природных композиционных материалах, таких, как дерево, кости и прочие. Словом, история полимерных композитов чрезвычайно стара. Однако настоящий бум в современном материаловедении возник в конце первой половины ХХ века, когда появились хорошие прочные и легкие стеклопластики и из них начали делать планеры, а затем и многое другое. Современная авиация, ракетно-космичес-кая техника, судостроение, машиностроение немыслимы без полимерных композитов. Чем больше развиваются эти отрасли техники, тем больше в них используют композиты, тем выше становится качество этих материалов. 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. В результате сейчас в скоростной авиации используют от 7 до 25 % (по весу) полимерных композитов и снижают вес изделия таким образом от 5 до 30 %. В качестве рекламы этих материалов в США был изготовлен самолет “Вояджер”, практически полностью изго8 товленный из армированных пластиков (главным образом, углепластика, материала на основе углеродных волокон). Этот самолет облетел вокруг Земли без посадки. Важно и то, что в отходы при изготовлении деталей из полимерных композитов идет не более 10÷30% материала, в то время как у аналогичных деталей из высокопрочных сплавов алюминия и титана, применяемых в авиации, отходы могут в 4÷12 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. Компоненты армированного пластика - это волокно и полимерная матрица. Основную механическую нагрузку несут волокна и они, главным образом, определяют прочность и жесткость (модуль упругости) материала. Армирующие волокна В первую очередь следует остановиться на стеклянных волокнах, наиболее распространенных и дешевых из армирующих волокон. Стеклянные волокна вытягивают из расплав9 ленной, специально приготовленной смеси оксида кремния с оксидами различных металлов. Основные затраты при изготовлении стекловолокон - это затраты энергии на расплавление и гомогенизацию смеси. Кстати говоря, от качества гомогенизации в значительной степени зависит прочность волокна. Поскольку стекло и большинство полимерных матриц - это немагнитные материалы и хорошие диэлектрики, из стеклопластиков делают корпуса минных тральщиков, радиопрозрачные элементы и прочее. Стеклопластики - наиболее дешевые композиционные материалы, поэтому они широко используются в строительстве, быту, судостроении, в том числе подводном, в наземном транспорте, в спортивном инвентаре и т.д. 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. Следующий тип армирующих волокон - углеродные был создан для преодоления таких недостатков стеклянных волокон, как низкий модуль упругости и большая плотность. В качестве сырья для получения углеродных волокон обычно используют полимерные полиакрилонитрильные или вискозные волокна. Специальная многостадийная термическая обработка полимерных волокон при высоких температурах (2000 °С и выше) приводит к карбонизации и графитизации волокна, в результате чего конечное волокно состоит только из углерода и имеет различную структуру и свойства в зависимости от режима термообработки и структуры исходного сырья. Углеродные волокна непрерывно совершенствуются, повышается их прочность и жесткость, увеличивается ассортимент. Один из перспективных путей снижения цены углеродных волокон - использование нефтяных и других пеков (тяжелых полиароматических соединений) в качестве исходного сырья. Кроме того, волокна из пеков обладают повышенным модулем упругости. Углеродные волокна и композиты из них имеют глубокий чер10 ный 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, в котором матрицей, склеивающей углеродные волокна, служит также практически чистый углерод. Существует два способа получения такого материала. Углеродные волокна пропитывают специальным, например, фенолформальдегидным связующим, которое отверждают, а затем карбонизуют при высокой температуре (до 2000 °С и выше). Так как при этом материал становится пористым, его еще раз пропитывают связующим и опять карбонизуют. Эту операцию повторяют несколько раз. Другой способ - химическое осаждение углерода из газовой фазы при высоких температурах и давлениях. Перспективен и комбинированный метод - сначала пропитка связующим и карбонизация, а затем осаждение углерода из газовой фазы. Полученный материал может работать при температурах до 3000 °С, если его поверхность защитить от окисления. Из углепластика делают носовые обтекатели ракет, детали скоростных самолетов, подвергающиеся максимальным аэродинамическим нагрузкам, сопла ракетных двигателей и прочее. Кроме того, так как графит - это твердая смазка, из углепластика делают тормозные колодки и диски для скоростных самолетов, космических кораблей многоразового действия “Шаттл” и гоночных автомобилей. Говоря про армирующие волокна, следует остановиться на высокопрочных высокомодульных полимерных волокнах. Для них характерны самая низкая плотность, высокая удельная прочность при растяжении (под удельной прочностью пони11 мают отношение прочности к плотности); высокое сопротивление удару и динамическим нагрузкам, очень низкая прочность при сжатии и изгибе. Полимеры, из которых получают такие волокна, делятся на жестко- и гибкоцепные. Примеры первых полипарафенилентерефталамид (торговое название волокна кевлар) и полибензотиазол. Полиэтилен и поливиниловый спирт - примеры вторых. Макромолекулы в волокнах, изготовленных из этих полимеров, в основном ориентированы в направлении оси волокна и свойства волокон (прочность, модуль упругости и др.) различны вдоль и поперек него. Чем выше степень ориентации, тем выше прочность при растяжении вдоль волокон. Жесткоцепные полимеры даже при высокой температуре сами стремятся сориентироваться в одном направлении, поэтому при их изготовлении используют стадию термообработки. Основная проблема достижения высоких характеристик волокон из гибкоцепных полимеров - добиться высоких степеней ориентации в процессе вытяжки и избежать разрывов макромолекул. Полиэтиленовые волокна могут иметь очень высокие прочность и модуль упругости при самой низкой плотности. Основные их недостатки - низкие рабочие температуры (до 100 °С) и плохая адгезия к большинству полимерных матриц. Макромолекулы поливинилового спирта имеют структуру, близкую к полиэтилену, и теоретически волокна из него должны иметь близкие характеристики, но значительно более высокую теплостойкость (выше 200 °С) и лучшую адгезию. К сожалению, до сих пор не достигнуты необходимые и возможные прочность и жесткость этих волокон, что, по-видимому, объясняется легкостью образования химических дефектов (реакцией дегидратации) как при получении полимера, так и при переработке его в волокно. Органопластики (так называют армированные пластики на основе органических полимерных волокон) применяют в авиационной технике и ракетостроении для изготовления деталей, работающих при растяжении, например, сосудов внутреннего давления, высокоскоростных маховиков. Еще из органо12 пластиков делают средства индивидуальной защиты от огнестрельного оружия: бронежилеты, каски и прочее. Разработаны и применяются и другие волокна. Борные волокна получают методом химического осаждения из газовой фазы по реакции: BCl3 + H2 → B↓ + HСl. Осаждение ведется на тонкую (диаметром несколько микрон) вольфрамовую проволоку. Технология получения борного волокна очень сложная, поэтому они имеют высокую стоимость. Боропластики обладают рекордной прочностью при сжатии и применяются в военной аэрокосмической технике для изготовления деталей, работающих в сложном напряженном состоянии, из них делают небольшие глубоководные аппараты. Широкие возможности для оптимизации свойств армированных пластиков и их цены открываются при комбинировании различных волокон в одном материале. Так, добавление к органическим полимерным волокнам борных или стеклянных позволяет повысить прочность композита при сжатии, то есть бороться с характерным недостатком органопластиков. Матрицы для полимерных композиционных материалов Разработка полимерных матриц для ПКМ - серьезная и важная проблема, поскольку многие свойства ПКМ определяются матрицей. В первую очередь именно матрица связывает волокна друг с другом, создавая монолитный конструкционный материал. Насколько реализуются высокие механические свойства волокон, зависит от таких свойств матрицы, как прочность, жесткость, пластичность, вязкость разрушения, ударная вязкость. Температурное поведение, ударная прочность, водои атмосферостойкость, химическая стойкость, трансверсальные (поперек волокон) механические свойства ПКМ решающим образом определяются полимерной матрицей и свойствами границы раздела фаз. Кроме того, при разработке связующих необходимо учитывать и их технологические свойства (время, кинетика отверждения, вязкость и давление переработки, смачиваемость армирующего материала, усадка и прочие), часто именно эти свойства могут оказаться решающими. Имеет значение и экологическое совершенство процессов получения и 13 переработки препрегов (полуфабрикатов в виде пропитанных связующим лент и тканей) и изделий из ПКМ: наличие и токсичность применяемых растворителей и других компонент. Создание оптимальных для конкретных применений полимерных матриц ограничено не столько возможностями синтетической полимерной химии, сколько необходимостью строго количественно формулировать широкий комплекс весьма противоречивых требований к связующему. Например, достичь максимальной прочности композитов и определить соответствующие требования к механическим характеристикам матрицы сложно из-за разнообразия механизмов разрушения ПКМ, и связано с необходимостью адекватно описывать процесс разрушения и испытывать образцы в условиях, отражающих реальную работу материала в изделии. Требования к матрицам, можно разделить на три группы. При модификации, изменении условий, химической структуры, степени химической сшивки и прочего, стремясь улучшить и улучшая свойства одной группы, мы автоматически ухудшаем другие. К одной группе можно отнести прочность, жесткость, теплостойкость полимерной матрицы, к другой пластичность, вязкость разрушения, трещиностойкость, ударную вязкость; к третьей - перерабатываемость, технологичность связующего. Задача исследователя, конструирующего композиционный материал, - найти компромисс, как-то оптимизировать выбор связующего, учитывая, впрочем, еще и экологические, экономические, конъюнктурные и другие соображения. Полимерные связующие делятся на два основных класса: термореактивные и термопластичные. Первые обычно представляют собой сравнительно низковязкие жидкости (при температуре переработки), которые после пропитки армирующего материала (волокон, нитей, лент, тканей) за счет химических реакций превращаются в неплавкую твердую полимерную матрицу. Этот химический процесс называется отверждением. 14 Вторая группа - линейные полимеры, которые могут при повышении температуры многократно переходить в жидкое расплавленное состояние. Отметим главные достоинства и недостатки термореактивных связующих в целом. К достоинствам следует отнести: 1. Хорошие технологические свойства: низкая вязкость связующего, хорошая смачиваемость и пропитываемость армирующего материала, сравнительно низкие температуры отверждения. 2. Хорошая адгезия к большинству волокон. 3. Повышенная теплостойкость. 4. Стойкость в различных средах: химическая, водо- и атмосферостойкость, низкая проницаемость для жидкостей и газов. 5. Свойства можно регулировать в широком диапазоне путем варьирования компонентов, добавления модификаторов, катализаторов и изменения условий отверждения. Недостатки: 1. Хрупкость, низкие вязкость разрушения и ударная прочность (усугубляются для высокотеплостойких матриц). 2. Невозможность вторичной переработки. 3. Длительное время отверждения из-за необходимости проведения экзотермической химической реакции в мягком режиме (без значительных перегревов). 4. Ограниченное время жизни препрега. 5. Значительная химическая усадка в большинстве случаев. В последние годы началось широкое применение термопластичных высокотеплостойких полимеров в качестве матриц для волокнистых ПКМ. Прежде всего, это объясняется следующими причинами. Для термопластов характерно сочетание высокой прочности и теплостойкости (речь идет о суперконструкционных пластиках: полиэфирсульфон, полиэфиримид, поли-фениленсульфид, полиэфирэфиркетон и так далее) с высокой ударной прочностью, трещиностойкостью. Такое же сочетание свойственно металлическим матрицам, хотя природа 15 высокой пластичности в металлах и термопластах различна. Кроме того, образование специфических трещин, крейзов, в которых края соединены волокнами полимера, позволяет термопласту растягиваться в одном направлении без сжатия в других (коэффициент Пуассона близок к нулю). Это облегчает его работу в сложнонапряженном состоянии в качестве матрицы в композитах. Эти свойства термопластов определяют повышенную ударную прочность композитов на их основе, стойкость к распространению трещин, как при статических, так и при циклических усталостных и динамических нагрузках, повышенные постударные характеристики и прочие. Отметим и другие достоинства термопластов: - возможность вторичной переработки; - облегчение ремонта изделий; - более эффективные интенсивные методы переработки, формование деталей менее энергоемко, возможно формование более крупных, сложной конфигурации деталей, более высокая производительность; - практически бесконечная жизнеспособность препрегов - время между его изготовлением и переработкой в изделие; - пониженные горючесть, дымовыделение при горении, токсичность продуктов горения, высокая стойкость к излучению. С другой стороны, замена термореактивных связующих на термопластичные требует решения ряда сложных технологических задач, ведь из-за большой вязкости расплавов полимеров приходится работать при высоких температурах и давлениях. Для преодоления этих трудностей предложены разные способы, например, волоконная и пленочная технологии. Из связующего сначала получают либо волокна, которые затем смешивают с волокнами армирующего материала, либо пленки, которые выкладывают или наматывают поочередно с лентой армирующего материала. После этого полученный пакет или изделие прессуют при высокой температуре - связующее расплавляется и проникает между волокнами, превращаясь в полимерную матрицу. 16 Сейчас, чтобы устранить недостатки каждого из классов связующих и добиться оптимальных свойств, начали применять различные смеси полимеров. Например, введение каучуков в эпоксиды и др. термореактивные связующие повышает вязкость разрушения и ударную прочность композита, хотя и несколько снижает прочность и модуль упругости связующего. К тем же эффектам приводит модификация термореактивных связующих термопластами при сохранении высокой прочности и жесткости. Олигомерные соединения снижают вязкость, улучшают технологичность термопластов. Предварительная обработка армирующего материала небольшим количеством низковязких термореактивных смол позволяет склеить волокна внутри нитей и в других местах, куда не могут проникнуть высоковязкие термопласты. Поверхность раздела фаз При разработке композиционного материала нельзя забывать и о третьем обязательном компоненте материала - границе фаз между волокном и матрицей. Очень часто это наиболее слабое место материала, и именно здесь начинается разрушение, как при механических нагрузках, так и при других воздействиях, например, под влиянием внешней атмосферы, воды и прочих. Поэтому во многих случаях проводят специальную обработку поверхности волокон. Углеродные волокна подвергают окислению, в результате чего на их поверхности образуются гидроксильные, оксидные другие полярные группы, хорошо взаимодействующие с полимерной матрицей. Так же поступают и с полиэтиленовыми волокнами, обрабатывая их в плазме. На стеклянные волокна наносят специальные химические вещества - аппреты, которые чаще всего вступают в химические реакции как с поверхностью волокна, так и со связующим при его отверждении, образуя, таким образом, химическую связь между волокном и матрицей. В большинстве этих соединений кремнийорганическая группа вступает в реакцию с гидроксильными группами на поверхности стеклянных волокон, образуя химическую связь: 17 R–Si–(OCH3) + HO–Si(пов) → R–Si–O–Si(пов) + CH3OH. При отверждении связующего другая группа аппрета, например, винильная, реагирует с молекулами связующего, образуя химическую связь с матрицей: R*связ. + CH2=CR1R2 → Rсвяз.–CH2–C*R1R2. Благодаря образующимся химическим, сильным полярным или водородным межмолекулярным связям между поверхностью волокна и матрицей повышается прочность адгезии и стойкость материала в агрессивных средах и воде. В заключение заметим, что дальнейшее развитие ПКМ следует рассматривать как движение в двух направлениях. Первое - разработка дешевых компонент и методов их переработки в полуфабрикаты и изделия для гражданских целей широкого применения. Для этой цели в качестве матриц, повидимому, будут использоваться многотоннажные полимеры (например, полипропилен и другие) и дешевые полиэфирные смолы. В качестве волокон - стеклянные, углеродные на основе пеков или полимер-пековых композиций, а также более дешевые полимерные волокна. Второе направление - повышение рекордных характеристик композитов. В последнее время второе направление в значительной степени потеряло финансирование как у нас в стране, так и в западных странах в связи с прекращением холодной войны и гонки вооружения. Однако такие материалы, хоть и в небольших масштабах, будут всегда требоваться для космической, авиационной и других гражданских отраслей техники. Можно надеяться, что в скором будущем будут достигнуты значения прочности порядка 10 ГПа для углеродных и полиэтиленовых волокон. Большие усилия направлены сейчас на создание высокопрочных высокомодульных поливинилспиртовых волокон. Непрерывно появляются новые типы волокон на основе жесткоцепных полимеров. Поэтому можно ожидать получения таких волокон с характеристиками лучшими, чем у волокон типа кевлар. Уже сейчас полибензотиазольные и полибензокса18 зольные имеют модуль упругости, значительно превышающий модуль кевлара и близкий к модулю углеродного волокна. Таким образом, создание, изучение и использование композиционных материалов - чрезвычайно перспективная и бурно развивающаяся область современного материаловедения. Методические указания предназначены для практических занятий по курсам «Перспективы развития композиционных материалов» студентам направления 16.03.01 «Техническая физика» (профиль подготовки «Физическая электроника») и «Конструкционные и композиционные материалы» студентам направления 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» (профиль – «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов») очной формы обучения с целью помочь обучающим закрепить сведения, полученные в процессе самостоятельного изучения теоретического материала. Методический материал включает вопросы для практических (семинарских) занятий по закреплению теоретического материала. 3. Вопросы для практических занятий 3.1. Функциональные композиционные материалы. Введение в физику функциональных композиционных материалов 1. Что составляет содержание науки о материалах? 2. Какие науки вносят наибольший вклад в изучение материалов? 3. Как определить место наук о материалах среди остальных наук? 4. Какие существуют методы физико-химического исследования материалов? 5. В чем проявляется роль фундаментального материаловедения в современном обществе? 19 6. В чем причина изменения приоритетов развития материаловедения? Каковы основные тенденции развития современного материаловедения? 7. Что относят к перечню критических технологий развития в настоящее время? 8. В чем различия между понятиями «элемент», «вещество», «изотоп», «изомер», «химический индивид», «фаза», «бертоллид», «дальтонид», «твердый раствор», «материал»? 9. Что выражают химический и фазовый состав материалов? Что такое «агрегатное состояние», «аллотропия», «полиморфизм», «политипия»? 10. Для каких типов веществ действует законы кратных соотношений и закон постоянства состава? 11. Что выражают фазовые диаграммы? 12. Каковы необходимые и достаточные условия отнесения кристалла к «идеальному», «совершенному», «реальному», «дефектному», «равновесному» типу кристаллов, к «квазикристаллу»? 13. Какие дефекты относятся к равновесным и неравновесным? 14. Какие дефекты называют точечными, протяженными, нульмерными, одномерными, линейными, двумерными, трехмерными, объемными? Придумайте альтернативные варианты классификации дефектов. 15. Какого цвета “F-центры” в галогенидах щелочного металла? Объясните, из-за чего возникает такая окраска? 16. Докажите, что в кристаллах должна существовать равновесная концентрация дефектов. Почему в координатах логарифм концентрации – обратная температура концентрация дефектов по Шоттки или по Френкелю выражается прямой линией? Может ли в кристалле существовать равновесная концентрация дислокаций? 17. С чем может быть связано существование у фазы односторонней области гомогенности? 18. Что такое плоскости кристаллографического сдвига? Как они возникают? Для каких оксидов типично наличие плоско20 стей кристаллографического сдвига? Как наличие таких дефектов может модифицировать диаграмму состояния? 19. Каковы причины возникновения дислокаций? Какой тип энергии запасается в дислокациях? Какие существуют типы дислокаций? Как дислокации взаимодействуют друг с другом? 20. Что такое дислокационная стенка и источник Франка-Рида? Что такое вектор Бюргерса? Какова роль дислокаций? Какова взаимосвязь дислокаций и точечных дефектов? 21. Что такое дефекты упаковки? Связаны ли дефекты упаковки с дислокациями? 22. Как происходит процесс двойникования в кристаллах? 23. В чем различие между когерентными, полукогерентыми и некогерентными включениями? 24. Какие существуют типы межкристаллитных границ? Что такое малоугловые и специальные границы? Какова роль межкристаллитных границ в реализации тех или иных свойств, химических и фазовых превращений в материале? 25. Чем бертоллид отличается от дальтонида? Все ли дальтониды являются точечными фазами? Всегда ли твердый раствор является бертоллидом? Какие дефекты могут приводить к образованию бертоллида? Какие дефекты может содержать дальтонид? 26. Что такое материал (общее определение)? Приведите примеры использования «обычных» веществ в качестве материалов? 27. Почему для неорганических твердофазных материалов, как правило, не выполняется закон постоянства состава? 28. Какое уравнение можно рассматривать как основное уравнение состояния точечных дефектов? 29. Как дефекты могут влиять на функциональные свойства материала? В каких случаях дефекты могут оказывать положительный эффект на функциональные свойства материала? 30. Что такое корреляция «состав-воздействие-структурасвойство» и каковы причины существования подобных корреляций для материалов? Приведите примеры. 21 31. Какие типы дефектов и в каких материалах необходимы для проявления улучшенных функциональных характеристик? 32. Почему литий часто используется для создания электронионных проводников? 33. Приведите примеры изменения ионной проводимости при гетеровалентном легировании. 34. Из-за чего возникают ассоциаты дефектов типа «расщепленных (или гантелевидных) междоузлий»? 35. Какие законы сохранения должны учитываться при составлении квазихимических уравнений? 36. Предскажите, как изменяются проводящие свойства вюстита, диоксида циркония, оксида никеля (II), оксида цинка и оксида меди (I) при различных парциальных давлениях кислорода. I. Вопросы к занятиям по теме «Классификация композиционных материалов» 1. Что такое композиционный материал (общее определение)? 2. В чем разница между функциональными и конструкционными композиционными материалами ? 3. Назовите основное отличие требований к свойствам функциональных и композиционных материалов. 4. Чем наука о материалах отличается от неорганической химии, физической химии, физики, химии твердого тела? Как определить место наук о материалах среди остальных наук? 5. Что является объектом исследований науки о материалах? 6. Каковы основные цели и тенденции развития современного материаловедения? 7. Как классифицировать функциональные композиционные материалы? 8. Приведите классификацию материалов по составу и проведите ее анализ. 9. Проанализируйте классификацию материалов по структуре. 10. Приведите классификацию материалов по типам. 11. Проведите анализ классификации функциональных материалов по свойствам. 22 12. Приведите классификацию конструкционных композиционных материалов. 13. Что представляет полимерный композиционный материал ? 14. Как классифицировать полимерные композиционные материалы? 15. Дайте характеристику стеклопластиков. 16. Дайте характеристику углепластиков. 17. Дайте характеристику боропластиков. 18. Дайте характеристику органопластикам. 19. Дайте характеристику текстолиту и гетинаксу. II. Вопросы к занятиям по теме «Керамические композиционные материалы» 1. Охарактеризуйте основные принципы получения керамических материалов. 2. Приведите классификация керамических материалов. 3. Что представляет собой природная керамика. 4. Перечислите исходные материалы для получения керамики. 5. Охарактеризуйте основные стадии получения керамики: подготовка порошков, смешение, формование, спекание. 6. Дайте характеристику силикатной керамики. 7. Охарактеризуйте состав и применение художественной керамики. 8. Охарактеризуйте состав и применение огнеупорной керамики. 9. Дайте характеристику электротехнической керамики. 10. Назовите особенности керамики с ядерными функциями. 11. Назовите состав и области применения оптической керамики 12. Что собой представляет биокерамика. 13. Назовите возможные составляющие поляризуемости диэлектрикой керамики. 14. С чем связана остаточная поляризация и наличие петли гистерезиса сегнетоэлектрической керамики (опишите основные точки петли гистерезиса)? 23 15. В чем различия между пьезо-, пиро-, сегнето-, сегнети- и антисегнетоэлектриками? Что из них является подклассом друг друга? 16. Почему сегнетоэлектрики разбиваются на домены? Какой тип энергии запасается в стенках доменов? 17. Каковы основные механизмы спонтанной поляризации и для каких классов соединений они наиболее характерны (примеры)? 18. Почему диэлектрическая проницаемость особенно велика вблизи точки Кюри? 19. В каком случае температура Кюри (Вейса) не совпадает с Тс и почему? 20. Почему дигидрофосфат аммония не обладает пироэлектрическими свойствами? В каком случае титанат бария может обладать макроскопически пироэлектрическими свойствами? 21. Что такое «истинный» и «ложный» пироэлектрический эффекты? 22. Объясните особую форму петли гистерезиcа цирконата свинца (в сильных полях). 23. Дайте характеристику магнитной керамики. 24. Назовите основные типы магнитных материалов, используемых в настоящее время (перечислить). 25. Назовите ферромагнитные материалы с рекордными свойствами. 26. Опишите основные точки / участки петли гистерезиса: в общем случае, ППГ, для наночастиц. 27. Приведите примеры и способы получения магнитомягких и магнитотвердых материалов. 28. Какими кристаллическими структурами обладают ферриты? (перечислить, примеры). 29. Где практически используются ферриты и материалы на их основе? 24 III. Вопросы к занятиям по теме «Углеродные композиционные материалы» 1. Назовите основные углеродные и графитовые материалы, применяемые при производстве композиционных материалов. 2. Охарактеризуйте свойства фуллеренов и области их применений. 3. Дайте характеристику углероднык нанотрубок. 4. Опишите их строение и свойства. 5. Дайте характеристику углеродных нановолокон. 6. Опишите композиты на основе углеродных материалов и их применение. 7. Дайте характеристику проводящих углеродных материалов. 8. Охарактеризуйте антифрикционные материалы на основе углерода. 9. Дайте характеристику графенов. 10. Опишите композиты на основе графенов и их применение. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. IV. Вопросы к занятиям по теме: «Композиционные неорганические материалы конструкционного назначения» Дайте классификацию композиционных материалов в неорганической матрице конструкционного назначения. Дайте характеристику волокнистым композитам. Охарактеризуйте слоистые композиты с неорганическими компонентами. Что означают дисперсно упрочненные композиты и как их получают ? Охарактеризуйте материалы, используемые в качестве матрицы композитов. Дайте характеристику видов и механических свойств волокон, применяемых в композитах. Опишите проблемы совместимости матрицы и волокон. Приведите механические свойства композиционных материалов. Каким образом можно рассчитать прочность композиционных материалов. 25 V. Вопросы к занятиям по теме: «Магнитоэлектрические композиты» 1. Дайте определение магнитоэлектрических композитов. 2. Дайте характеристику магнитоэлектрического эффекта в кристаллах. 3. Охарактеризуйте магнитоэлектрический эффект в композитах. 4. Опишите теории магнитоэлектрического эффекта. 5. Дайте описание эффективности прямого магнитоэлектрического преобразования в композитах. 6. Опишите эффективность обратного магнитоэлектрического преобразования в композитах. 7. Перечислите наиболее перспективные объемные и слоевые магнитоэлектрические композиты. 8. Перечислите области практического применения магнитоэлектрических композитов. VI. Вопросы к занятиям по теме: «Композиты с гигантским магнитосопротивлением» 1. Дайте определение магнитосопротивления. 2. Какие величины магнитосопротивления называют гигантскими ? 3. Какова физическая природа гигантского магнитного сопротивления (GMR)? 4. В чем состоит эффект осцилляторного поведения антиферромагнитной связи в многослойных магнитных системах? Когда он наблюдается? 5. Поясните эффект антипараллельной ориентации магнитных моментов при разной коэрцитивности в соседних магнитных слоях? 6. В каких объемных композитах наблюдается эффект гигантского магнитного сопротивления ? 7. При каких концентрациях ферромагнитной фазы в объемном композите наблюдается эффект гигантского магнитного сопротивления ? 26 8. Назовите методы получения композитов с гигантским магнитосопротивлением. 9. Где используется эффект GMR? VII. Вопросы к занятиям по теме: «Сверхпроводящие композиты » 1.Какие сверхпроводниковые фазы имеют критические температуры выше температур кипения (1) жидкого гелия, (2) жидкого водорода, (3) жидкого азота? Какой из хладогенов более дешев, безопасен и имеет более высокую теплоемкость? 2. Каковы основные признаки перехода в сверхпроводящее состояние? 3. Какие существуют «электронные» высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)? Назовите носители заряда в YBa2Cu3O7 выше и ниже критической температуры. 4. Способствует ли максимально возможное окисление фазы YBa2Cu3O6.5 достижению максимальной температуры перехода в сверхпроводящее состояние и почему? 5. Что такое сверхпроводники 1 и 2 рода? Нарисуйте схему строения вихря Абрикосова, обозначив (1) нормальную фазу, (2) лондоновскую глубину проникновения, (3) длину когерентности, (4) квант магнитного потока. 6. Как несверхпроводящие фазы с размером, значительно превышающим длину когерентности, могут способствовать пиннингу магнитного потока? Какие известны приемы увеличения внутризереннего критического тока (включая пиннинг)? 7. С чем связана анизотропия физических (сверхпроводящих) свойств ВТСП? Почему двуосное текстурирование улучшает критический ток и какие это должны быть оси (почему?)? 8. Объясните формулу (микроструктурные особенности) «идеальной ВТСП-керамики», связав это с фундаментальными свойствами ВТСП. 9. Какие общие структурные мотивы характерны для ВТСП фаз? Что такое структуры срастания и гомологи? 27 10. Почему твердые растворы R1+xBa2-xCu3Oz существуют только для РЗЭ подгруппы церия? Почему температуры плавления RBa2Cu3Oz возрастают с ростом радиуса РЗЭ? 11. Опишите кратко основные методы получения монокристаллов, керамики и пленок ВТСП (не больше 1 стр.). 12. Какие существуют основные методы текстурирования ВТСП - материалов? Почему «затравки» обеспечивают образование монокристаллических областей вокруг себя? Почему градиент магнитного поля приводит к текстуре? Почему к направленному росту кристаллитов приводит градиент температуры? 13. Приведите примеры (возможного) практического использования ВТСП. Какое из ВТСП устройств в медицине использует эффект Джозефсона для измерения биополей? Какие материалы используются для создания силовых кабелей и постоянных магнитов? 14. Назовите Нобелевских лауреатов по физике 2003 г. 3.2. Полимерные композиционные материалы конструкционного назначения VIII. Вопросы к занятиям по теме: «Принципы создания, составы и свойства ПКМ» 1. Дайте определение полимерных композиционных материалов. 2. Перечислите возможные виды матриц у композиционных материалов. 3. Классифицируйте существующие полимерные композиционные материалы (ПКМ): 1) - по природе матрицы; 2) - по природе и форме наполнителя; 3) - по структуре ПКМ; 4) - по степени ориентации наполнителя, анизотропии материала; 5) - по методам изготовления; 6) - по количеству компонентов; 7) - по объему содержания наполнителя; 28 8) - по функциональности. 4. Назовите основные преимущества гетерогенных полимерных композиций по сравнению с гомогенными полимерами. 5. Сформулируйте микромеханические аспекты взаимодействия компонентов ПКМ. 6. Определите упругопрочностные свойства композитов. 7. Назовите особенности структуры и свойств ПКМ: 1) - ПКМ с высоким содержанием волокон; 2) - гибридные и градиентные армированные пластики; 3) - «интеллектуальные» композиты. IX. Вопросы к занятиям по теме: «Конструкционные пластмассы» 1. Дайте характеристику структуры и основным физическим свойствам полимеров. 2. Охарактеризуйте реологические свойства полимеров. 3. Назовите особенности теплофизических свойств полимеров. 4. Каковы механические свойства пластмасс ? 5. Какими основными параметрами характеризуют механические свойства ? 6. Какова теоретическая и реальная прочность пластмасс ? 7. Охарактеризуйте основные механизмы разрушения пластмасс. 8. Каковы особенности механических свойств полимеров в кристаллическом состоянии? X. Особенности структуры и свойств полимерных композиционных материалов 1. Дайте общую характеристику полимерных композиционных материалов (ПКМ). 2. Охарактеризуйте фазовый состав полимерных композиционных материалов. 3. Что представляют собой границы раздела фаз и межфазовые слои. 29 4. Дайте характеристику свойств ПКМ с высоким содержанием волокон. 5. Охарактеризуйте гибридные армированные пластики. 6. Каким образом можно регулировать механические свойства в градиентных армированных пластиках? 7. Дайте характеристику интелектуальным композитам. XI. Вопросы к занятиям по теме: «Связующие для ПКМ» 1. Классифицируйте основные виды связующих ПКМ. 2. Охарактеризуйте термореактивные связующие (олигамеры): 2.1. Фенолформальдегидные полимеры. 2.2. Фурановые полимеры. 2.3. Кремнийорганические полимеры. 2.4. Ненасыщенные олигоэфиры. 2.5. Эпоксидные олигомеры. 2.6. Полиимиды. 3. Дайте характеристику термопластичным связующим: 3.1. Полиолефины. 3.2. Поливинилхлорид. 3.3. Полистирольные пластики. 3.4. Полиметилметакрилат. 3.5. Полиамиды. 3.6. Полиформальдегид. 3.7. Ароматические полиэфиры. 3.8. Полиимиды. 3.9. Ароматические полиамиды. 3.10. Полисульфон. 3.11. Фторполимеры. 3.12. Полифениленсульфид. 3.13. Полиэфиркетоны 3.14. Полифениленоксид. 4. В чем преимущества и особенности модифицированных матричных полимеров. 30 XII. Термическая обработка полимерных материалов 1. Для каких целей применяют термическую обработку полимерных материалов? 2. Назовите основные виды термической обработки полимеров. 3. Охарактеризуйте термическую обработку деталей из полиамидов. 4. Каковы режимы термической обработки деталей из полиэтилена. 5. Дайте характеристику термической обработке деталей из полипропилена. 6. Каковы особенности термической обработки деталей из полистирола. 7. Опишите термическую обработку деталей из политетрафторэтилена. 8. Приведите основные режимы термической обработки деталей из поликарбоната. XIII. Вопросы к занятиям по теме: «Основные виды наполнителей и армирующих элементов композиционных материалов» 1. Дайте классификацию и особенностей различных наполнителей ПКМ. 1.1. Дисперсные наполнители. 1.2. Волокнистые наполнители. 1.3. Слоистые наполнители. 1.4. Зернистые наполнители. 2. Дайте классификацию и особенностей армирующих элементов ПКМ. 2.1. Стекловолокнистые армирующие элементы. 2.2. Углеволокнистые армирующие элементы. 2.3. Органоволокнистые армирующие элементы. 2.4. Бороволокнистые армирующие элементы. 2.5. Базальтоволокнистые армирующие элементы. 2.6. Керамиковолокнистые армирующие элементы. 31 ХIV. Вопросы к занятиям по теме: «Углеродные композиционные материалы в полимерной матрице» 1. Назовите аллотропные и переходные формы углерода. 2. Углеродные и графитизированные волокна. 3. Углеродные волокна на основе гидратцеллюлозы и полиакрилонитрила. 4. Углеродные волокна из пеков. 5. Дайте характеристику композитов с углеволокнистым наполнителем: 5.1. Охарактеризуйте влияние природы и состава связующего на свойства ПКМ. 5.2. Охарактеризуйте влияние обработки поверхности волокон на свойства ПКМ. 5.3. Охарактеризуйте связь прочности углепластиков с прочностью границы раздела. ХV . Вопросы к занятиям по теме: «Композиты со стекловолокнистым и неорганическим наполнителем» 1. Охарактеризуйте стеклянные волокна и ткани на их основе. 2. Дайте характеристику композитов с углеволокнистым наполнителем: 2.1. Охарактеризуйте влияние природы и состава матрицы на свойства ПКМ. 2.2. Охарактеризуйте влияние модификации поверхности волокон на свойства ПКМ. 2.3. Охарактеризуйте связь прочности стеклопластиков с прочностью границы раздела. 3. Опишите основные свойства ПКМ на основе волокон из базальта, карбида кремния и керамики. ХVI. Вопросы к занятиям по теме: «Композиты на основе борных волокон» 1. Охарактеризуйте борные волокна. 2. Дайте характеристику композитов на основе борных волокон: 32 2.1. Охарактеризуйте влияние природы и состава матрицы на свойства ПКМ. 2.2. Охарактеризуйте влияние обработки поверхности волокон на свойства ПКМ. 2.3. Охарактеризуйте связь прочности боропластиков с прочностью границы раздела. ХVII. Вопросы к занятиям по теме: «Композиты с органоволокнистым наполнителем» 1. Охарактеризуйте свойства волокна из ароматических полиамидов. 2. Охарактеризуйте свойства волокна из сверхмолекулярного полиэтилена. 3. Дайте характеристику композитов с органоволокнистым наполнителем: 3.1. Охарактеризуйте влияние природы и состава матрицы на свойства ПКМ. 3.2. Охарактеризуйте особенности разрушения соединений жесткоцепное органическое волокно-связующее. 3.3. Охарактеризуйте связь прочности органопластиков с прочностью границы раздела. ХVIII. Вопросы к занятиям по теме: «Композиты с минеральными наполнителями» 1. Назовите основные тенденции развития ПКМ с минеральными наполнителями. 2. Дайте характеристику полимерных нанокомпозитов с природными, синтетическими и металлическими наноразмерными наполнителями. 3. Охарактеризуйте минеральные волокна и ПКМ на их основе. 4. Дайте характеристику ПКМ с минеральными наполнителями. ХIX. Вопросы к занятиям по теме: «Проблемы и перспективы применения композиционных материалов» 1. Каковы проблемы и перспективы применения композиционных материалов в автомобильной промышленности ? 33 2. Каковы проблемы и перспективы применения композиционных материалов в судостроении? 3. Назовите основные области и перспективы применения композиционных материалов в авиа - космической технике? 4. Приведите примеры применения композиционных материалов в быту. 5. Каковы перспективы применения композиционных материалов в военной технике? 34 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Третьяков, Ю.Д. Введение в химию функциональных материалов [Текст]: методическая разработка / Ю.Д. Третьяков, Е.А. Гудилин – М. МГУ им. М.В. Ломоносова, 2006. – 125 с. 2. Физическое металловедение [Текст] / Под ред. Кана Р.У., Хаазена П. – 3-е изд. В 3 т. Том 2. 1987 г. – 624 с. 3. Берлин, А.А. Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ) [Текст]: / А.А. Берлин // Сорософский образовательный журнал. – 1995. - № 1. - С. 57-65. 4. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология [Текст]: учеб. пособие / М.Л. Кербер, В.М. Виноградов, Г.С. Головкин и др.; под ред. А.А. Берлина. – СПб.: Профессия, 2008. – 560 с. 5. Сидоренко, Ю.Н. Конструкционные и функциональные волокнистые композиционные материалы [Текст]: учеб. пособие / Ю.Н. Сидоренко – Томск: ТГУ, 2006. – 107 с. 6. Машков, Ю.К. Конструкционные пластмассы и полимерные композиционные материалы [Текст]: учеб. пособие/ Ю.К. Машков, М.Ю. Байбарацкая, Б.В. Григорьевский. – Омск: ОмГТУ, 2002. – 129 с. СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение в функциональные композиционные материалы 1 2. Введение в полимерные композиционные материалы 7 3. Вопросы для практических занятий 19 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 35 35 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к практическим занятиям по курсу «Перспективы развития композиционных материалов» для студентов направления 16.03.01 «Техническая физика» (профиль «Физическая электроника») очной формы обучения Составитель Калинин Юрий Егорович В авторской редакции Подписано к изданию 25.11.2014. Уч.-изд. л. 2,2. ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" 394026 Воронеж, Московский просп., 14