Войти
A Композит с полимерной матрицей (PMC) - это композитный материал, состоящий из множества коротких или непрерывных волокон, связанных вместе органическая полимерная матрица. PMC предназначены для передачи нагрузок между волокнами матрицы. Некоторые из преимуществ PMC включают их легкий вес, высокую жесткость и высокую прочность вдоль направления их усиления. Другими преимуществами являются хорошая стойкость к истиранию и хорошая коррозионная стойкость.
Функция матрицы в PMC состоит в том, чтобы связывать волокна вместе и передавать нагрузки между ними. Матрицы PMC обычно представляют собой термореактивные пластмассы и термопласты. На сегодняшний день наиболее часто используются термореактивные материалы. Термореактивные материалы подразделяются на несколько систем смол, включая эпоксидные смолы, фенольные смолы, полиуретаны и полиимиды. Из них эпоксидные системы в настоящее время доминируют в передовой композитной промышленности.
Термореактивные смолы требуют добавления отвердителя или отвердителя и пропитки на армирующий материал, после чего следует этап отверждения для производства отвержденной или готовой детали. После отверждения деталь нельзя изменять или реформировать, за исключением отделки. Некоторые из наиболее распространенных реактопластов включают эпоксид, полиуретаны, фенольные и амино-смолы, бисмалеимиды (BMI, полиимиды), полиамиды.
из них, эпоксидные смолы являются наиболее часто используемыми 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, чтобы образовать широкий спектр полимерных продуктов, каждый из которых имеет отличные рабочие характеристики. Эти смолы варьируются от жидкостей с низкой вязкостью до твердых веществ с высоким молекулярным весом. Обычно это жидкости с высокой вязкостью.
Вторым важнейшим ингредиентом современной композитной системы является отвердитель или отвердитель. Эти соединения очень важны, потому что они контролируют скорость реакции и определяют рабочие характеристики готовой детали. Поскольку эти соединения действуют как катализаторы реакции, они должны содержать активные центры на своих молекулах. Некоторые из наиболее часто используемых отвердителей в современной композитной промышленности - это ароматические амины. Двумя наиболее распространенными из них являются метилендианилин (MDA) и сульфонилдианилин (DDS). Матричные композиты SiC – SiC представляют собой высокотемпературную керамическую матрицу, изготовленную из прекерамических полимеров (полимерные прекурсоры SiC) для пропитки волокнистой преформы для создания матрицы SiC.
В передовой 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 желаемых характеристик отверждения и рабочих характеристик готовой детали. Полиуретаны - еще одна группа смол, используемых в сложных процессах производства композитов. Эти соединения образуются путем взаимодействия компонента полиола с изоцианатным соединением, обычно толуолдиизоцианатом (TDI); (MDI) и гексаметилендиизоцианат (HDI) также широко используются. Фенольные и аминовые смолы - еще одна группа смол PMC. Бисмалеимиды и полиамиды являются относительными новичками в передовой композитной промышленности и не были изучены в сравнении с другими смолами.
Термопласты в настоящее время составляют относительно небольшую часть индустрии PMC. Обычно они поставляются в виде инертных твердых частиц (во время обработки химическая реакция не происходит) и требуют только тепла и давления для формирования готовой детали. В отличие от термореактивных пластиков, термопласты обычно могут быть повторно нагреты и при желании преобразованы в другую форму.
PMC, армированные волокном, содержат около 60% армирующего волокна по объему. Волокна, которые обычно встречаются и используются в PMC, включают стекловолокно, графит и арамид. Стекловолокно имеет относительно низкую жесткость, 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. Армирующие волокна имеют самые высокие механические свойства по длине, а не по ширине. Таким образом, армирующие волокна могут быть расположены и ориентированы в различных формах и направлениях для обеспечения различных физических свойств и преимуществ в зависимости от области применения.
Углеродные нанотрубки
В отличие от PMC, армированных волокном, PMC, армированные наноматериалами, могут значительно улучшить механические свойства при гораздо более низких (менее 2% по объему) нагрузках. Углеродные нанотрубки, в частности, были интенсивно изучены из-за их исключительных внутренних механических свойств и низкой плотности. В частности, углеродные нанотрубки имеют одни из самых высоких измеренных значений жесткости на растяжение и прочности среди любого материала из-за сильных ковалентных sp-связей между атомами углерода. Однако для того, 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 значительно влияет на конечные свойства композита. Исследования напряженно-деформированного состояния однослойных углеродных нанотрубок в полиэтиленовой матрице с использованием молекулярной динамики показали, что длинные углеродные нанотрубки приводят к увеличению жесткости на растяжение и прочности за счет передачи напряжения на большие расстояния и предотвращения распространения трещин. С другой стороны, короткие углеродные нанотрубки не приводят к улучшению свойств без какой-либо межфазной адгезии. Однако после модификации короткие углеродные нанотрубки могут еще больше улучшить жесткость композита, однако противодействие распространению трещин по-прежнему очень мало. Как правило, длинные углеродные нанотрубки с высоким аспектным соотношением приводят к большему улучшению механических свойств, но их труднее обрабатывать.
Помимо размера, граница раздела между углеродными нанотрубками и полимерной матрицей имеет исключительное значение. Для достижения лучшей передачи нагрузки был использован ряд различных методов для лучшего связывания углеродных нанотрубок с матрицей за счет функционализации поверхности углеродных нанотрубок с помощью различных полимеров. Эти методы можно разделить на нековалентные и ковалентные стратегии. Нековалентная модификация УНТ включает адсорбцию или наматывание полимеров на поверхность углеродных нанотрубок, как правило, посредством ван-дер-ваальсовых взаимодействий или π-стэкинга. Напротив, ковалентная функционализация включает прямое связывание с углеродной нанотрубкой. Это может быть достигнуто несколькими способами, такими как окисление поверхности углеродной нанотрубки и реакция с кислородсодержащим сайтом или использование свободного радикала для прямого взаимодействия с решеткой углеродных нанотрубок. Ковалентную функционализацию можно использовать для непосредственного присоединения полимера к углеродной нанотрубке или для добавления молекулы инициатора, которую затем можно использовать для дальнейших реакций.
Синтез PMC, армированных углеродными нанотрубками, зависит от выбора матрицы и функционализации углеродных нанотрубок. Для термореактивных полимеров используется обработка в растворе, когда 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 термореактивных полимеров может использоваться обработка в расплаве, при которой нанотрубка смешивается с расплавленным полимером, а затем охлаждается. Однако этот метод не может допускать высокой нагрузки углеродных нанотрубок из-за увеличения вязкости. Полимеризация на месте может использоваться для полимеров, которые не совместимы с растворителем или нагреванием. 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
Подобно углеродным нанотрубкам, чистый графен также обладает исключительно хорошими механическими свойствами. Графеновые PMC обычно обрабатываются таким же образом, как PMC из углеродных нанотрубок, с использованием обработки в растворе, плавления или полимеризации на месте. Хотя механические свойства графеновых PMC обычно хуже, чем у их эквивалентов углеродных нанотрубок, оксид графена гораздо легче функционализировать из-за присутствующих дефектов. Кроме того, трехмерные графеновые полимерные композиты демонстрируют определенные перспективы в плане изотропного улучшения механических свойств.
