Реферат: Композиционные материалы (композиты)

Государственное Образовательное Учреждение

Гимназия №1505

Реферат

«Создание и применение композиционных материалов в быту

и строительстве»

Выполнила: ученица 9 класса «Б»

Бобр Полина

Научный руководитель: Пурышева Н.С.

Москва 2021 г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………. 3

Основная часть………………………………………………………………………………… 5

§1. Строение и свойства твердых тел………………………………………………………… –

§2. Что такое композиционные материалы……………………………………………………. 10

§3. Композиционные материалы в быту и строительстве………………………………….. 13

Заключение…………………………………………………………………………………….. 19

Список литературы……………………………………………………………………………. 21

Введение

Тема моего реферата выбрана в связи с проявлением большого интереса к современным материалам, их созданию и применению в строительстве и быту. Современные материалы проходят длительный необычный процесс создания. А распространены они настолько широко, о чем современные люди и не задумываются. Композиционные материалы буквально окружают нас всюду.

Проблема создания современных материалов очень актуальна в наше время, так как развитие промышленного производства, строительства, потребности повседневной жизни человека требуют создания материалов, обладающих определенными свойствами. К сравнительно новым материалам относятся композиционные материалы, которые постепенно занимает все большее место в нашей жизни. Области применения композиционных материалов многочисленны и расширяются день ото дня. Можно с уверенностью сказать, что это материалы будущего. Кроме того, без них современный человек и сейчас не обошелся бы. Наиболее необходимы они в строительной и бытовой отраслях, т.к. современные материалы служат “фундаментом” в данном случае. Без современных материалов невозможно было бы дальнейшее развитие бытовой и строительной отраслей.
Целью моего исследования является расширение своих познаний в области физики, материаловедения. Также я предполагаю расширить знания о процессе создания композиционных материалов и об их применении в быту и строительстве. Я предполагаю доказать, что без композиционных материалов человек не обошелся бы в современное время. Кроме того, что композиционные материалы являются материалами будущего. Следующая цель моего реферата – разобраться в типах композитов, понять разницу между их разновидностями. Кроме того, мне необходимо разобраться в преимуществах и недостатках композиционных материалов.
Задачей моего исследования является подробное изучение отобранной литературы, в которой говорится о долгом процессе создания композиционных материалов. Следующая задача моего исследования – узнать, как композиты применяются в быту и строительстве, и насколько они необходимы человеку в современное время. А главное, ответить на вопрос, почему современный человек не может обойтись без композиционных материалов в нынешнее время.
При написании реферата я использую теоретические методы научного исследования: анализ литературы, обобщение информации, ее систематизация. Путем рассуждений и умозаключений формулирую выводы. Также я корректирую новые и полученные ранее знания. Мне не приходится говорить о проверке теорий, так как материаловеды для получения этих данных проводили наблюдения и эксперименты. А для объяснения наблюдаемых фактов выдвигали гипотезы и строили теории, на основе которых формулировали выводы и предположения. А полученные вновь прогнозы проверяли экспериментом или сбором новых данных. Для обеспечения независимой проверки проводили наблюдения, обеспечивали доступность для других учёных всех исходных данных, методик и результатов исследований. Это позволяет получить дополнительное подтверждение путём воспроизведения экспериментов.
Результатом моего исследования будет являться точное представление о процессе создания композиционных материалов, об их применении в быту и строительстве, точное доказательство того, что композиционные материалы действительно необходимы в современное время.
Реферат состоит из введения, основной части, состоящей из трех параграфов, заключения и списка литературы. Во введении приводятся общие сведения о работе. Первый параграф посвящен рассмотрению строения и свойств твердых тел. Этот параграф мне необходим потому, что перед тем, как начинать разговор о процессе создания композиционных материалов, их применении в быту и строительном деле, требуется разобраться в самих твердых веществах, а главное, в их строении и свойствах. Знакомство со свойствами многих материалов в окружающем нас мире позволяет говорить об их необычности. Кроме этого, я хочу разобраться в том, как знания о строении вещества позволяет влиять на свойства вещества и создавать материалы с определенными свойствами. Без этого параграфа бессмысленно дальнейшее обсуждение композиционных материалов.

Второй параграф посвящен описанию потребностей в композиционных материалах, их созданию и необходимости в быту и строительном деле. В этом параграфе описан долгий процесс создания композиционных материалов. Так же, я докажу, что современному человеку действительно необходимы композиционные материалы в быту и строительстве. Кроме того, я отвечу на вопрос, почему без композитов человек не обошелся бы в нынешнее время.

Третий параграф посвящен применению композиционных материалов в практике. Ведь мало кто знает, что композиционные материалы широко применяются в современное время. Также, я покажу, как именно композиты применяются в быту и строительстве. Далее будут следовать заключение и список литературы, использованный для написания реферата.

§1Строение и свойства твердых тел

Изучением строения и свойств твердых тел занимаются различные науки: физика, химия, кристаллография. Для получения отчетливого представления о строении твердых тел и его свойствах необходимо обращаться к результатам исследования всех этих наук. Мы обратимся к физике твердого тела – науке о строении и свойствах твердых тел и происходящих в них явлениях. Физика твердого тела составляет основную часть фундамента современных материалов. В большинстве случаев все современные материалы – материалы твердые.

Физика твердого тела изучает и объясняет свойства твердых тел для того, чтобы уметь предсказывать, как поведет себя твердое тело в различные условиях его эксплуатации. Кроме того, физика твердого тела должна указать, как можно получить новый материал, обладающий нужными свойствами, какова должна быть его структура. [1, c.6]

Большинство окружающих нас твердых тел – поликристаллы. Они состоят из множества отдельных кристалликов, беспорядочно ориентированных друг относительно друга. В куске породы нередко встречаются отдельные кристаллы – монокристаллы какого-либо вещества.

Кристаллы могут иметь идеальную форму. Форму, которую принимает монокристалл тогда, когда при его росте устранены все случайные факторы, называют идеальной. Форма эта имеет вид многогранника. Такой кристалл ограничен плоскими гранями, прямыми ребрами и обладает симметрией.

Чаще всего вещества кристаллизуются в виду сложных многогранников, т.е они бывают ограничены несколькими сортами равных между собой граней.

Основным законом кристаллографии является закон постоянства углов. Он заключается в том, что в кристаллах одного вещества углы между соответственными гранями всегда одинаковы. Грани считаются соответственными, если они обладают одинаковыми физическими и химическими свойствами [1, c.10].

Различные кристаллы обладают разной симметрией. Если тело можно мысленно пересечь плоскостью так, что каждой точке а
тела с одной стороны плоскости будет соответствовать точка б
, лежащая по другую сторону плоскости и приток так, что прямая аб
, соединяющая эти две точки, перпендикулярна плоскости и делится этой плоскостью пополам, то это тело обладает зеркальной симметрией. Сама плоскость называется в этом случае плоскостью симметрии.

Кроме зеркальной симметрии, тела могут еще обладать поворотной симметрией. Тело обладает поворотной симметрией, если при повороте на соответствующий угол все части фигуры совмещаются друг с другом. Ось, вокруг которой происходит вращение тела, называют осью симметрии.

Тела могут обладать еще центром симметрии. Центр симметрии – точка в середине тела, относительно которой любая точка тела имеет другую соответствующую ей точку, лежащую на таком же расстоянии от центра в противоположном направлении. Больше одного центра симметрии в теле быть не может.

Ось симметрии, плоскость симметрии и центр симметрии называют элементами симметрии. Они определяют вид симметрии. В 1867 г. впервые со своей очевидностью русский инженер и кристаллограф А.В. Гадолин доказал, что кристаллы могут обладать лишь 32 видами симметрии.

Симметрия, закон постоянства углов и ряд других свойств привели кристаллографов к догадке о закономерном расположении частиц, составляющих кристалл. Они представили, что частицы в кристалле расположены так, что центры

тяжести образуют правильную пространственную решетку. У всех кристаллов она различна. В каждой пространственной решетке можно выделить элементарную ячейку – повторяющийся элемент ее структуры.

Понятие о пространственной решетке кристалла оказалось очень плодотворным. Оно позволило объяснить ряд свойств кристалла.

Кристалл, имеющий идеальную форму, ограничен плоскими гранями и прямыми ребрами. Это можно объяснить тем, что плоскости и ребра кристалла всегда проходят через узлы пространственной решетки.

Кристаллы одного и того же вещества могут иметь разнообразную форму, так и кристалл, имея определенную пространственную решетку, может иметь различную форму. Кроме того, она позволяет объяснить закон постоянства углов.

Плодотворность представления внутреннего строения кристалла в виде пространственной решетки наиболее наглядно проявляется в объяснении симметрии кристаллов. Все разнообразие видов симметрии кристаллов может быть доказано на основе симметрии пространственных решеток [1, c.17].

Представление о пространственной решетке кристалла оставалось гипотезой до 1912 г., когда были получены первые экспериментальные данные.

Подтверждение правильности представления о внутреннем строении кристаллов стало возможным после открытия в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном рентгеновских лучей.

В 1912 г. другой немецкий физик Макс Лауэ предложил использовать эти лучи для внутреннего строения кристаллов. Узких пучок лучей пропускают через монокристалл (рис.1). За монокристаллом расположена фотопластинка, завернутая в черную бумагу. После ее проявления, кроме центрального пятна – следа рентгеновских лучей, рис.1 прошедших через монокристалл без отклонения, видны пятна, которые получены в результате рассеяния лучей от атомных плоскостей кристалла (рис.2). В расположении частиц в кристалл есть определенная закономерность. Специалист по этой рентгенограмме определит порядок симметрии оси в кристалле и рассчитает ряд других параметров.

Все кристаллы можно отнести к четырем видам: ионным, молекулярным, атомным и металлическим.

Ионная связь достаточно сильно скрепляет частицы рис.2

вещества в кристалле, поэтому они отличаются прочностью. Ионные кристаллы обладают плохой тепло – и электропроводностью. В них нельзя выделить отдельные молекулы. Каждый положительный ион одинаково сильно связан со всеми окружающими его отрицательными ионами.

В узлах решетки молекулярных кристаллов лежат молекулы с неполярной ковалентной связью. Молекула в отдельные моменты времени представляет собой электрический диполь. Диполи взаимно притягивают друг друга или отталкивают друг друга.

В основе ковалентной связи в атомных кристаллах лежит «спаривание» их внешних электронов с образованием полностью заполненной валентной электронной оболочки. Атомные кристаллы обладают большой твердостью, высокой температурой плавления.

Атом любого металла имеет незаполненную валентную электронную оболочку. При сближении атомов металла каждый из них готов предоставить электронам возможность занять незаполненные места в электронной оболочке. При соединении двух атомов металла электроны их получают возможность двигаться вблизи любого из атомов. При соединении следующих атомов металла возможности электронов перемещении возрастают.

В кристаллах молекулы обладают энергией. Силы притяжения и силы отталкивания зависят от расстояния между частицами. На расстоянии, равном приблизительно сумме радиусов атомов, сила отталкивания равна силе притяжения, и результирующая сила становится равной нулю.

Сейчас стоит объяснить свойства, такие, как расширение тел при нагревании, теплопроводность и теплоемкость, на основе структуры твердых тел, взаимодействия движения частиц, из которых они состоят [1, c.32].

Прежде всего, рассмотрим колебательное движение. Под колебательным движением понимают такое движение или изменение состояния, при котором значения физических величин, характеризующих это состояние или движение, определенным образом повторяются во времени. Колебательное движение можно охарактеризовать такими величинами, как полное колебание
– движение маятника от точки В до точки С и обратно (рис.3), амплитуда
– наибольшее отклонение маятника положения равновесия (точки А), период
– время одного полного колебания, частота
– число колебаний за 1 сек.

Такие колебания, которые происходят под действием внутренних сил, после того, как маятник выведен из состояния

рис.3 равновесия, называют свободным. Колебания, происходящие под действием внешней периодической силы, называют вынужденными. Распространение колебаний в пространстве представляет собой волновое движение. Каждая волна характеризуется длиной волны. Длина волны – расстояние, на которое распространяются колебания за время, равное одному периоду колебаний.

Все вещества в природе состоят из большого числа маленьких частиц и находятся в хаотическом, тепловом движении. Взаимодействующие частицы обладают взаимной потенциальной энергией. Состоянию устойчивого равновесия взаимодействующих частиц соответствует равенство нулю равнодействующей сил взаимодействия между ними и наименьшее значение их взаимной потенциальной энергии. Потенциальная энергия (энергия связи) характеризует прочность связи частиц. Таким образом, движение частиц твердого тела можно считать колебательным движением.

Все тела при нагревании расширяются. При повышении температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллической решетки. Среднее расстояние между двумя соседними атомами не изменяется, следовательно, увеличение амплитуды колебаний при повышении температуры не ведет к тепловому расширению. Силы, действующие между частицами твердого тела, не являются упругими. Этот факт является причиной теплового расширения. При возрастании температуры увеличиваются расстояния между узлами кристаллической решетки, т.е. происходит тепловое расширение тела.

Твердые тела обладают теплоемкостью. Теплоемкость тела показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия при изменении температуры на один градус. Внутренняя энергия неметаллических кристаллических тел складывается из кинетической энергии колебательного движения частиц, находящихся в узлах решетки, и энергии их взаимодействия.

Теплоемкость твердого тела обусловлена теплоемкость его кристаллической решетки, движением свободных электронов. При комнатной температуре электроны практически не влияют на величину теплоемкости металлов, т.е. они незначительно изменяют свою энергию при нагревании на один градус.

Теплоемкость твердых тел не зависит от температуры. Однако опыты показывают, что на самом деле теплоемкость твердых тел уменьшается с понижением температуры и стремится к нулю при приближении температуры к абсолютному нулю. Здесь на помощь приходит квантовая теория теплоемкости А. Эйнштейна.

Согласно этой теории, атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, колеблются независимо друг от друга с одинаковой частотой, равной примерно 10¹³
Гц. Энергия колеблющегося атома излучается порциями. Эта теория была уточнена П. Дебаем. А. Эйнштейн считал, что атомы в узлах кристаллической решетки колеблются независимо друг от друга и частота их колебаний одинакова.

Твердые тела обладают теплопроводностью. Теплопроводностью называют перенос тепла от одного тела к другому или от одной части тела к другой. Это явление возникает, если тела, приведенные в контакт, или различные части одного и того же тела имеют неодинаковую температуру. Процесс теплопроводности сводится к выравниванию температур различных частей тела. При этом некоторое количество теплоты передается от более нагретой части тела к менее нагретой.

Каждое вещество характеризуется своим коэффициентом теплопроводности, поэтому очевидно, что его величина зависит от внутреннего строения вещества. Теплопроводность металлов носит в основном электронный характер, следовательно, чем больше электронов учувствует в переносе тепла, тем больше коэффициент теплопроводности; чем больше эти электроны движутся, тем большее количество теплоты может быть перенесено за единицу времени; чем дольше электроны могут двигаться без столкновений, тем коэффициент теплопроводности больше. Он также зависит от удельной теплоемкости вещества твердого тела.

Развитие теории строения твердого тела внесло существенные коррективы в учение о механических свойствах металлов и способствовало дальнейшему и более эффективному развитию этого учения [1, c.50].

Твердые тела обладают механическими свойствами. При механической обработке материалов изменяется форма или объем тел, т.е. тела деформируются.

Деформации, исчезающие в теле после прекращения действия сил, называют упругими деформациями. Свойство материала, состоящее в том, что тела, изготовленные из него, под действием внешних сил деформируются, а после снятия этого действия восстанавливают свою форму и объем, называют упругостью.

Деформации, остающиеся в теле после прекращения воздействия на него других тел, называют остаточными деформациями. Остаточная деформация характеризует свойство материала, называемое пластичностью. Упругость и пластичность присущи всем твердым телам.

Различают следующие виды упругих деформаций, возникающих в телах: растяжение (сжатие), сдвиг, кручение изгиб.

Растяжение испытывают в процессе эксплуатации канаты, цепи в подъемных устройствах и др.

Сжатию подвергаются фундаменты домов, колонны, стены и др.

Деформация сдвига возникает в начальной стадии процесса резания на строгальном станке.

Деформации кручения подвергаются валы машин, оси и др.

Изгиб происходит при действии на один конец стержня других тел, когда второй

конец стержня закреплен.

Только часть механических свойств можно более или менее объяснить, исходя из модели идеального кристалла. Поэтому была выдвинута гипотеза о том, что причина расхождения теоретических расчетов и экспериментальных результатов заключается в несовершенстве кристаллической решетки [1, c.56].

Таким образом, некоторые механические свойства материалов не связаны со структурными несовершенствами. Эти свойства иначе называют структурно-нечувствительными свойствами. Те же механические свойства, которые тесно связаны со структурными несовершенствами кристаллов, или, как говорят, с дефектами кристаллов, называют структурно-чувствительными свойствами.

Твердые тела могут обладать точечными дефектами. Точечные дефекты – нарушение кристаллической решетки в изолированных друг от друга точках.

В результате теплового движения томов и их взаимодействия возможны отклонения энергии отдельных атомов от среднего значения, при котором атом удерживается в узле кристаллической решетки. Дефекты также могут появиться в процессе роста кристалла. Экспериментально подтверждает наличие точечных дефектов в кристаллах явление диффузии в твердых телах. На самом деле, в кристалле без дефектов никакой диффузии не могло бы быть. Если атомы колеблются около узлов кристаллической решетки и не «покидают» эти положения, то не может быть проникновения атомов одного кристалла в другой.

Различают два вида дефектов (дислокаций): краевую и винтовую. Дислокации могут перемещаться в кристаллической решетке. При краевой дислокации (рис.4) происходит искажение кристаллической структуры. Это вызвано тем, что в части объема кристалла в процессе его роста возникла лишняя атомная «полуплоскость». При винтовой дислокации происходит искажение пространственной решетки. Атомные ряды изгибаются и меняют рис.4

своих соседей. Эти дислокации происходят при росте кристалла.

Знания о строении вещества позволяет влиять на свойства вещества и создавать материалы с определенными свойствами. Создание материалов с заданными свойствами, потребность в которых постоянно растет, – одно из основных направлений научно-технического прогресса.

Наиболее важной считается задача повышения прочности материалов. Как известно, прочность повышается как при уменьшении числа дефектов, так и при их увеличении. Можно сделать вывод о том, что она максимальна у идеального кристалла. Поэтому одна из возможностей повышения прочности – выращивание бездефектных кристаллов, кристаллов максимально близких к идеальному. Такие кристаллы выращивают в лабораториях. Они имеют нитевидную форму и их прочность практически равна теоретической. Так, кристаллы железа, полученные в лаборатории, имеют прочность 14×10⁷
Па, в то время как прочность обычного чистого железа – 2×10⁷
Па.

С другой стороны прочность растет с увеличением числа дефектов. Это связано с тем, что дефекты тормозят перемещение дислокаций. Поэтому для повышения прочности необходимо увеличить концентрацию дефектов. С этой целью материал можно подвергнуть пластической деформации. Этот способ повышения прочности называют наклепом. Примерами наклепа являются ковка, прокатка, волочение и т.п. Опыт показывает, что при наклепке прочность возрастает в десятки раз.

Повышению прочности материалов способствует введение в них примесей, которые препятствуют распространению дислокаций. Такими примесями могут быть атомы углерода, кремния, бора, азота. Поэтому широкое распространение в технике получают сплавы, которые имеют большую прочность по сравнению с чистыми металлами, например, различные стали (сплавы железа, углерода и других элементов), латунь (сплав меди и цинка), сплавы алюминия или магния с медью и другими элементами.

Помимо высокой прочности, сплавы обладают и другими свойствами, отличающими их от чистых металлов. Например, некоторые из них более термостойки, чем составляющие их металлы, другие наоборот плавятся при более низкой температуре. Так, олово плавится при 232 ⁰
С, свинец – при 327 ⁰
С; сплав олова со свинцом – при 170 ⁰
С; сплав карбида тантала с гафнием имеет наивысшую из известных температуру плавления – 4215 ⁰
С.

Есть сплавы, обладающие очень высокой твердостью, существуют упругие сплавы, сплавы, соединяющие легкость и прочность (дюрали), сплавы, не подверженные окислению (нержавеющие стали), сплавы с большим электрическим сопротивлением (нихром), сплавы со специальными магнитными свойствами, сплавы, имеющие малый температурный коэффициент линейного расширения (инвар) и др.

Причина, по которой сплав приобретает свойства, отличные от свойств его компонентов, заключается в том, что в расплавленном состоянии происходит активное перемещение частиц, поскольку они обладают высокой энергией теплового движения. Поэтому при кристаллизации образуется материал (сплав) с иным строением и с иными свойствами.

Знание строения вещества и умение изменять его и управлять свойствами материалов крайне важно для дальнейшего научно-технического прогресса.

Прорыв в новые области знаний, технологий, создание изделий с требуемыми свойствами, резкое улучшение экономических показателей, обретение технико-экономической независимости вследствие отказа от использования традиционно приемлемых материалов – все это возможно только благодаря современным материалам – новым композиционным материалам.

Композиционные материалы (КМ, композиты) – многокомпонентные материалы (рис.5), состоящие из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах приводит к появлению качественно новых механических свойств материала.

Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств

рис.5 каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце.

Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.

Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в XVIII веке (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины XX века. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.

А вот другой пример. Первые композиционные материалы на основе полимеров — битумную смолу, наполненную тростником,— использовали для строительных целей в Древнем Вавилоне более 5000 лет назад. Известно, что в Египте и в государствах Месопотамии в третьем тысячелетии до н.э. из этого же материала строили речные суда. Если внимательно проанализировать искусство мумифицирования, распространенное в Древнем Египте, то в основе его также можно найти способ получения композитов. В самом деле, тело после соответствующей обработки обматывали лентой из ткани и пропитывали природной смолой с образованием жесткого кокона.

Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного в наши дни композиционного материала – древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), выдерживающие большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 году до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4-6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита (рис.6), пропитанные эпоксидными клеями), фанера. Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом. рис.6

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр. [2, c.135].

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами – кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему), тогда как дисперсно-упрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов – нового класса композиционных материалов – еще меньше и составляют 10-100 нм.

Композиционные материалы обладают преимуществами и недостатками. Главное преимущество КМ в том, что они очень прочны и жестки. Композиционные материалы обладают высокой износостойкостью и усталостной прочностью (долговечностью).

Кроме этого, они обладают легкостью. Также, из них можно изготовить размеростабильные конструкции – конструкции, которые сохраняют свои размеры при различных воздействиях. Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

К сожалению, многие композиционные материалы обладают недостатками. Цены на них высоки, с чем и борются материаловеды. Для создания КМ необходимо специальное дорогостоящее оборудование и сырье, что приводит к повышенной наукоемкости производства [2, c.241]. C давних времен люди испытывали нужду в таких материалах, в которых бы сочетались несколько физических свойств сразу. В нынешнее время ситуация не изменилась. Композиционные материалы задействованы почти во всех областях. В первую очередь они являются товарами широкого потребления. Например, железобетон (рис.7)— один из старейших и простейших композиционных материалов. Из КМ делают автомобильные покрышки и лодки из стеклопластика (стекловолокнистого наполнителя). Кроме этого, они входят в состав удилищ для рыбной ловли. Композиты нашли применение и в спорте. Из них рис.7 делают оборудования для горнолыжного спорта – палок и лыж. Композиционные материалы нашли применение в машиностроении. В этой области они широко применяются для создания защитных покрытий на трущихся поверхностях (рис.8), а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания, например, поршней. Защитное покрытие имеет низкий коэффициент трения, 0,01 и менее. КМ нашли применение и в авиации и космонавтике. В этих областях с 1960-х годов существует необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы рис.8 применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов. Композиты также используются в военной технике. Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) они применяются для производства различных видов брони, например, бронежилетов [5].

Но основное использование они получили в быту и строительстве. Применение композиционных материалов в этих областях будет рассмотрено в следующем параграфе моего реферата.

§3 Композиционные материалы в быту и строительстве

Невозможно себе представить, как люди бы обходились в быту и строительстве без композиционных материалов. Люди являлись, являются и будут являться основными потребителями композиционных материалов. Можно сказать, что они являются «основой» в строительстве и быту. Очень хорошо проявлены преимущества композиционных материалов, употребляющихся в этих областях. Далее будут приведены примеры композиционных материалов, в которых люди проявляют большую заинтересованность. Одним из самых распространенных строительных композиционных материалов является железобетон. Железобетон — это строительный композиционный материал, представляющий собой залитую бетоном стальную арматуру (совокупность соединенных между собой элементов). На рис.9 изображена арматура для железобетонных конструкций. Термин запатентован в 1867 году Жозефом Монье как материал для изготовления кадок для растений. Этот год принято считать годом изобретения железобетона как универсального несгораемого строительного материала. Уже в XX веке железобетон является наиболее распространённым материалом в строительстве. Термин «железобетон» абстрактен и употребляется обычно в выражении «теория железобетона». Если речь идёт о конкретном объекте, будет правильнее говорить рис.9 «железобетонная конструкция» или «железобетонный элемент». Железобетон обладает как положительными, так и отрицательными качествами. К положительным качествам железобетонных конструкций относятся:

• невысокая цена (железобетонные конструкции значительно дешевле стальных);
• пожаростойкость (в сравнении со сталью);
• технологичность (несложно при бетонировании получать любую форму конструкции);
• химическая и биологическая стойкость — не подвержен гниению;
• есть возможность создавать сложные формы

К недостаткам железобетонных конструкций относятся:

• невысокая прочность при большой массе (прочность бетона при растяжении в среднем в 10 раз меньше прочности стали; в больших конструкциях железобетон «несёт» больше своей массы, чем полезной нагрузки). [4, c.34]

Выделяют сборный железобетон (железобетонные конструкции изготавливаются в заводских условиях, затем монтируются в готовое сооружение) и монолитный железобетон (бетонирование выполняется непосредственно на строительной площадке). Главной задачей при проектировании железобетонной конструкции является расчёт армирования. Армирование конструкций выполняется стальными стержнями. Диаметр стержней и характер их расположения определяется расчётами. При этом соблюдается следующий принцип — арматура устанавливается в растянутые зоны бетона либо в преднапряжённые сжатые зоны. В России железобетонные элементы принято рассчитывать:

· по несущей способности (прочность, устойчивость, усталостное разрушение);

· по пригодности к нормальной эксплуатации (трещиностойкость, чрезмерные прогибы и перемещения).

По характеру работы выделяют изгибаемые элементы (балки, плиты) и сжатые элементы (колонны, фундаменты). При изгибе любого элемента в нём возникает сжатая и растянутая зоны (рис.10), изгибающий момент и поперечная сила. В железобетонной конструкции выделяется две формы разрушения:

• по нормальным сечениям (сечениям, перпендикулярным продольной оси, от действия изгибающего момента);
• по наклонным сечениям (от действия поперечных сил).

В типичном случае армирование балки выполняется продольной и поперечной рис.10 арматурой (рис.10). 1 – верхняя (сжатая) арматура 2 – нижняя (растянутая) арматура 3 – поперечная арматура 4 – распределительная арматура

Основными параметрами конструкции являются:
L — пролёт балки или плиты, расстояние между двумя опорами. Обычно составляет от 3 до 25 метров;
H — высота сечения. С увеличением высоты прочность балки растёт пропорционально h²;
B — ширина сечения;
a — защитный слой бетона. Служит для защиты арматуры от воздействия внешней среды;
s — шаг поперечной арматуры. Арматура (2), устанавливаемая в растянутую зону, служит для упрочнения бетона, который в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении. Арматура (1) в сжатую зону устанавливается обычно без расчёта (из необходимости приварить к ней поперечную арматуру), в редких случаях верхняя арматура упрочняет сжатую зону бетона. Растянутая арматура и сжатая зона бетона (и иногда сжатая арматура) обеспечивают прочность элемента по нормальным сечениям (рис.10). Поперечная арматура (3) служит для обеспечения прочности наклонных сечений (рис.10). На рис.11 показано разрушение ж/б элемента по нормальным сечениям. На рис.12 показано разрушение ж/б элемента по наклонным сечениям.

рис.11 рис.12

Распределительная арматура (4) имеет конструктивное назначение. При бетонировании она связывает арматуру в каркас.

Разрушение элемента в обоих случаях наступает вследствие разрушения бетона растягивающими напряжениями. Арматура устанавливается в направлении действия растягивающих напряжений для упрочнения элемента. Небольшие по высоте балки и плиты (до 150 мм) допускается проектировать без установки верхней и поперечной арматуры. Плиты армируются по такому же принципу, как и балки, только ширина B в случае плиты значительно превышает высоту H, продольных стержней (1 и 2) больше, они равномерно распределены по всей ширине сечения. Кроме расчёта на прочность для балок и плит выполняется расчёт на жёсткость (нормируется прогиб в середине пролета при действии нагрузки) и трещиностойкость (нормируется ширина раскрытия трещин в растянутой зоне). При сжатии длинного элемента для него характерна потеря устойчивости (рис.13). При этом характер работы сжатого элемента несколько напоминает работу изгибаемого элемента, однако в большинстве случаев растянутой зоны в элементе не возникает. Если изгиб сжатого элемента значителен, то он рассчитывается как внецентренно сжатый. Конструкция внецентренно сжатой колонны сходна с центрально сжатой, но, в сущности, эти элементы работают (и рассчитываются) по-разному. Также элемент будет внецентренно сжат, если кроме вертикальной силы на него будет действовать значительная горизонтальная сила (например, ветер, давление грунта на подпорную стенку). Типичное армирование колонны представлено на рис.13. В сжатом элементе вся продольная арматура (1) сжата, она воспринимает сжатие наряду с бетоном. Поперечная арматура (2) обеспечивает устойчивость арматурных стержней, предотвращает их выпучивание. Центрально сжатые колонны проектируются при помощи квадратного сечения. рис.13 Массивными считаются колонны минимальная сторона сечения которых более или равна 400 мм. Массивные сечения обладают способностью к наращиванию прочности бетона длительное время, т.е. с учетом возможного увеличения нагрузок в дальнейшем (и даже возникновения угрозы прогрессирующего разрушения – террористические атаки, взрывы и т.д.) – они имеют преимущество перед колоннами немассивными. Т.о. сиюминутная экономия сегодня не имеет смысла в дальнейшем и кроме этого малые сечения нетехнологичны при изготовлении. Необходим баланс между экономией, массой конструкции и т.н. жизнеутверждающим строительством. Изготовление железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические процессы: — Подготовка арматуры; — Опалубочные работы – изготовление, установка и разборка опалубки (элементов и деталей, предназначенных для придания требуемой формы ж/б конструкциям, возводимым на строительной площадке);
— Армирование железобетона – усиление конструкции другим материалом (осуществляется стальной арматурой). При помощи армирования повышается трещиностойкость, жёсткость и долговечность конструкций; — Бетонирование (заливание бетоном стальной арматуры);
— Уход за твердеющим бетоном. Для защиты железобетонных конструкций применяются специальные полимерные составы, позволяющие изолировать поверхностный слой железобетона от негативных влияний внешней среды (химические агенты, механические воздействия). Для защиты железобетонного основания применяют различные типы защитных конструкций, позволяющих модифицировать эксплуатационные свойства минеральной поверхности — увеличить износостойкость, уменьшить пылеотделение, придать декоративные свойства (цвет и степень блеска), улучшить химическую стойкость. Полимерные покрытия, наносимые на железобетонные основания, классифицируют по типам: обеспыливающие пропитки, тонкослойные покрытия, наливные полы, высоконаполненные покрытия. Другой метод защиты железобетонных конструкций заключается в покрытии арматуры фосфатом цинка. В результате образуется устойчивое апатитное покрытие [4, c.87]. Из железобетона производят шамотные кирпичи, асбестоцементные трубы, цементо-стружечные плиты, фундаментные блоки, колодезные кольца, перемычки, бордюрные камни и лестничные ступени. Теперь становится понятным, почему люди нуждаются в строительных композиционных материалах. Одним из самых распространенных полимерных композиционных материалов являются пластмассы. Пластмасса на сегодняшний день является незаменимым материалом не только в производстве, но и в обычном хозяйстве. Пластмассы (пластические массы, пластики) — органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять после охлаждения или отвердения заданную форму. Процесс формования сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное состояние. Первая пластмасса была получена английским металлургом и изобретателем А. Парксом в 1855 году. Паркс назвал её паркезин (позже – целлулоид). Развитие пластмасс началось с использования природных пластических материалов (например, жевательной резинки), затем с использованием химически модифицированных природных материалов (таких, как резина, коллаген) и, наконец, пришло к полностью синтетическим молекулам. Преемником паркезина стал ксилонит (другое название того же материала). В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании изделий пластмассы делят на:

• Термопласты (термопластичные пластмассы) — при нагреве расплавляются, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние.
• Реактопласты (термореактивные пластмассы) — отличаются более высокими рабочими температурами, но при нагреве разрушаются и при последующем охлаждении не восстанавливают своих исходных свойств.

Также газонаполненные пластмассы — вспененные пластические массы, обладающие малой плотностью. Основные механические характеристики пластмасс те же, что и для металлов.
Пластмассы характеризуются малой плотностью (0,85—1,8 г/см³), чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой механической прочностью. При нагревании (часто с предварительным размягчением) они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований, отношение к органическим растворителям различное (в зависимости от химической природы полимера). Физиологически почти безвредны. Свойства пластмасс можно модифицировать путём сочетания различных пластмасс друг с другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная ткань, введением наполнителей и красителей, тепло- и светостабилизаторов, облучения и др., а также варьированием сырья. Пластмассы также обладают твердостью, теплостойкостью, температурой хрупкости (морозостойкостью). Для того, что придать особые свойства пластмассе, в нее добавляют пластификаторы (например, силикон), антипирены и антиоксиданты. Производство синтетических пластмасс основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул (приставка «поли-» от греческого «много», например этилен-полиэтилен). Обрабатывают пластмассы разными способами. Вот некоторые из них:

• Литьё/литьё под давлением (технологический процесс переработки пластмасс путем впрыска их расплава под давлением в форму с последующим охлаждением)
• Экструзия (технология получения изделий путем продавливания расплава пластмасс через формующее отверстие)
• Прессование
• Вспенивание
• Отливка
• Сварка
• Вакуумная формовка (производство пластмасс в горячем виде методом воздействия вакуума или низкого давления воздуха) и пр.

Рассмотрим два метода обработки: механическую и сварку. Пластмассы, по сравнению с металлами, обладают повышенной упругой деформацией, вследствие чего при обработке пластмасс применяют более высокие давления, чем при обработке металлов. Применять какую-либо смазку, как правило, не рекомендуют; только в некоторых случаях при окончательной обработке допускают применение минерального масла. Охлаждать изделие и инструмент следует струей воздуха. Они более хрупки, чем металлы, поэтому при обработке пластмасс режущими инструментами надо применить высокие скорости резания и уменьшать подачу. Износ инструмента при обработке пластмасс значительно больше, чем при обработке металлов, почему необходимо применять инструмент из высокоуглеродистой или быстрорежущей стали или же из твердых сплавов. Лезвия режущих инструментов надо затачивать, по возможности, более остро, пользуясь для этого мелкозернистыми кругами. Пластмасса может быть обработана на токарном станке, может фрезероваться. Для распиливания может применяться ленточные пилы, дисковые пилы и карборундовые круги [6]. Соединение пластмасс между собой может осуществляться механическим путем с помощью болтов, заклепок, склеиванием, растворением с последующим высыханием, а также при помощи сварки. Из перечисленных способов соединения только при помощи сварки можно получить соединение без инородных материалов, а также соединение, которое по свойствам и составу будет максимально приближено к основному материалу. Поэтому сварка пластмасс нашла применение при изготовлении конструкций, к которым предъявляются повышенные требования к герметичности, прочности и другим свойствам [6, c.206]. Процесс сварки пластмасс (рис.14) состоит в образовании соединения за счет контакта нагретых соединяемых поверхностей. Он может происходить при определенных условиях: 1. Повышенная температура. Ее величина должна достигать температуры вязкотекучего состояния. 2. Плотный контакт свариваемых поверхностей. 3. Оптимальное время сварки — время выдержки. рис.14 Также следует отметить, что температурный коэффициент линейного расширения пластмасс в несколько раз больше, чем у металлов, поэтому в процессе сварки и

охлаждения возникают остаточные напряжения и деформации, которые снижают прочность сварных соединений пластмасс [3, c.214]. На прочность сварных соединений пластмасс большое влияние оказывают химический состав, ориентация макромолекул, температура окружающей среды и другие факторы. Как и при сварке металлов, при сварке пластмасс следует стремиться к тому, чтобы материал сварного шва и околошовной зоны по механическим и физическим свойствам мало отличался от основного материала. Сварка термопластов плавлением, как и другие методы их переработки, основана на переводе полимера сначала в высокоэластическое, а затем в вязкотекучее состояние и возможна лишь в том случае, если свариваемые поверхности материалов (или деталей) могут быть переведены в состояние вязкого расплава. При сварке многих пластмасс выделяются вредные пары и газы. Для каждого газа имеется строго определенная предельно доступная его концентрация в воздухе [3, c.215]. Из пластмассы делают пленочные изделия. Также, из пластмассы (твердой) делают пластмассовые ведра, горшки для цветов и кашпо, предметы домашнего обихода (пластмассовые табуретки, совки для мусора, корзины для мусора), детские товары, изделия для ванной и туалетной комнаты, а главное пластмассовую посуду. Каждый день люди испытывают необходимость в этих предметах. Вот почему композиционные материалы так необходимы в быту.

Заключение

В данной работе были подробно рассмотрены строение и свойства твердых тел. Я разобралась в том, как знания о строении вещества позволяет влиять на свойства вещества и создавать материалы с определенными свойствами. Был не менее подробно рассмотрен вопрос о том, что такое композиционные материалы, и что они из себя представляют. Были приведены примеры древних композиционных материалов. Было сказано о компонентах композиционных материалов, что используется для их композиции. В работе был затронут вопрос о том, можно ли создать более удобные в производстве и более дешевые материалы. Он был рассмотрен, и было сказано, что материалы экспериментируют с этим делом. Были подробно рассмотрены все возможные структуры композиционных материалов. В начале работы я ставила цель – разобраться в преимуществах и недостатках композиционных материалов. Во втором параграфе они были рассмотрены и проанализированы. Далее было сказано о тех областях, в которых композиционные материалы нашли свое применение. Это и машиностроение, и космонавтика, и в военной технике. Но главное применение композиционные материалы нашли в быту и строительстве. Чему я посвятила весь третий параграф своего реферата.

В работе было приведено по одному примеру композиционного материала, который является самым распространенным в той или иной области. В строительстве этим композиционным материалом является железобетон. Были подробно рассмотрены положительные и отрицательные стороны железобетона. Были выделены типы железобетона, и была определена главная задача при проектировании железобетонной конструкции. Далее был определен характер этой работы. В данном случае это были изгибаемые элементы (балки, плиты) и сжатые элементы (колонны, фундаменты). Для пояснения были рассмотрены изгибы каждого вида. Далее были указаны основные параметры конструкции. Был взят во внимание каждый элемент железобетонной конструкции и была определена его конкретная задача. После этого были предоставлены рисунки, на которых были изображены возможные разрушения элементов железобетонной конструкции. Далее было рассмотрено типичное армирование одного из главным элементов железобетонной конструкции – колонны. Был предоставлен вниманию поясняющий рисунок. Были затронуты технологические процессы изготовления железобетонных конструкций. После этого был затронут вопрос о защите железобетонных конструкций. Дальше были приведены примеры строительных композиционных материалов, сделанных частично или полностью из железобетона.

Далее был взят во внимание самый распространенный полимерный композиционный материал – пластмасса. Был затронут вопрос о происхождении пластмассы. Было кратко сказано об ее истории. Было сказано о типах пластмасс. Далее были взяты во внимание характеристики пластмасс, была указана их схожесть с металлами. Были рассмотрены такие характеристики как плотность, твердость, теплостойкость, температура хрупкости (морозостойкость). После этого были указаны способы обрабатывания пластмасс, но рассмотрены очень подробно были только два из них: это механическая обработка и сварка. Были выделены условия, при которых может происходить сварка пластмасс. Вниманию был предоставлен рисунок, на котором представлен процесс сварки пластмасс. Были приведены факторы, оказывающие большое влияние на прочность сварных соединений пластмасс. В конце были приведены примеры бытовых предметов, сделанных полностью или частично из пластмассы.

Обобщив полученные знания, можно сделать вывод о том, что композиционные материалы постепенно занимают все большее место в нашей жизни. Уже достаточно трудно представить современную жизнь без композиционных материалов. Области применения композиционных материалов многочисленны. А диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Изначально одной из целей моего реферата было доказать, что композиционные материалы являются материалами будущего. Теперь об этом можно с уверенностью говорить. Кроме этого были достигнуты все остальные цели, поставленные мной в начале работы, а именно: расширение своих познаний в области физики, материаловедения, расширение знаний о процессе создания композиционных материалов и об их применении в быту и строительном деле. Я доказала, что без композиционных материалов человек не обошелся бы в современное время. Я разобралась в типах композитов, поняла разницу между их разновидностями. Кроме того, я разобралась в преимуществах и недостатках композиционных материалов.

Список использованной литературы

1. Анофрикова С.В., Бобкова М.А., Иванова Л.А., Каменецкий С.Е., Носова Т.И., Пурышева Н.С., Парфентьева Н.Е., Тереньтьев М.М. Факультативный курс физики. Учебное пособие для 9-ого класса. М.: Просвещение, 1976.
2. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. – М.: Машиностроение, 1988.
3. Дзевульский В. М. Технология металлов и дерева. — М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы. 1995.
4. Лопатто А.
   Артур Фердинандович Лолейт. К истории отечественного железобетона. — М.: Стройиздат, 1969.
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Композит – Композиционный материал
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Пластмассы – Пластмассы