Волокнистые теплоизаляционные материалы

Минеральнаявата(комовая) представляет собой тепло­изоляционный материал, состоящий из отдельных волокон, которые получают из расплавов горных пород или металлургических шлаков.

Сырьем для производства минеральной ваты служат слан­цы, смеси известняков и доломитов с глинистыми и кремнеземистыми породами, а также шлаки (преимущественно доменные). Материал, полученный из горных пород, обычно называют горной ватой, а из шлаков — шлаковой ватой.

Производство минеральной ваты состоит из двух основных про­цессов: расплавления сырьевой смеси и превращения расплава в во­локна.

Сырье расплавляют обычно в вагранках, имеющих высоту _;от 3 до 6 ж и внутренний диаметр 0,75—1,5 м. Расплав, вытекающий из нижней части печи через отверстия размером 20-30 мм, разбрызгивается давлением струи пара.

Пролетая вдоль камеры волокнообразо­вания, капли вытягиваются в тонкие волокна диаметром от 2 до 12 мкм и длиной 2—60 мм. Волокна падают на пол камеры, представляющий собой транспортер, движущийся с определенной скоростью. На транспортере образуется слой ваты в виде ленты; при выходе из камеры лента проходит через вальцы и несколько уплотняется.

Схема установки для получения минеральной ваты показана на Рисунке 14. В процессе производства ваты не все капли расплава успевают вытянуться в нити; часть их принимает форму шариков, жгутов и пр. Такие включения назы­вают корольками. Корольки увеличивают объемный вес и коэффициент тепло­проводности минеральной ваты, поэтому в составе ваты их не должно быть боль­ше 25%

Композитные материалы

Композиционный материал. Композиционный материал (композит, КМ) — неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — текстолит, слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем, стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, 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.

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

Композиционный материалнеоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур также представляют собой композитные материалы

Композитные материалы своим прообразом имеют широко известный железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в 19 в. прокаткой слоистые материалы.

Успешному развитию современных композитных материалов содействовали: разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью; открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической; нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов; разработка новых армирующих материалов - высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, А12ОЗ, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов.

В технике широкое распространение получили волокнистые композитные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжения волокнам. Волокнистые композитные материалы, как правило, анизотропны. Механические свойства композитных материалов определяются не только свойствами самих волокон, но и их ориентацией, объёмным содержанием,

Способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких соединений (В4С, SiC и др.) обычно составляет 100-150 мкм.

Важнейшими технологическими методами изготовления композитных материалов являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием, электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием; осаждение матрицы плазменным напылением на упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей и другие.

Весьма перспективны композитные материалы, армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких мкм по диаметру и примерно 10-15 мм по длине.

Области применения композитных материалов многочисленны; кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, композитные материалы могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной промышленности - для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении - для корпусов и деталей машин; в химической промышленности - для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, ёмкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.

Преимущества композиционных материалов

Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

Достоинства композитные материалов.

• высокая удельная прочность

• высокая жёсткость (модуль упругости 130...140 ГПа)
• высокая износостойкость
• высокая усталостная прочность
• из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции

• легкость

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Недостатки композиционных материалов

Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

• высокая стоимость
• анизотропия свойств

• повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

Области применения:

• Товары широкого потребления.

• Железобетон — один из старейших и простейших композиционных материалов.
• Хокейныеклюшки, удилища для рыбной ловли из стеклопластика и углепластика.

• Лодки из стеклопластика.

• Автомобильные покрышки.
• Металлокомпозиты.

Основная область применения металлокомпозитов авиация и космонавтика. В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует настоятельная необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий котлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.

Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) композиционные материалы применяются в военном деле для производства различных видов брони: бронежилетов, брони для военной техники.

По структуре композиты делятся на несколько типов:

Волокнистые композиты

• Волокнистые композиты армированы волокнами — кирпичи с соломой и оболочки для египетских мумий можно отнести как раз к этому классу композитов.

Слоистые материалы

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

Дисперсноупрочнённые материалы

• Дисперсноупрочнённые материалы, полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц (упрочнителей) это жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой.

Нанокомпозиты

Нанокомпозиты- это современный многофункциональный материал, содержащий наноразмерные частицы и обладающий уникальными свойствами, которые до конца еще не изучены. В композитах углеродные волокна(основа) армированы нитевидными кристаллами.

Одно из интереснейших и перспективных направлений в науке о полимерах и материаловедении последних лет разработка принципов получения полимерных нанокомпозитов. Нанокомпозиты — структурированные материалы со средним размером одной из фаз менее 100 нм. Наноструктурные композиты имеют повышенные механические и иные свойства из-за уменьшения среднего размера кристаллитов и уплотнения материалов. Широким классом композитных материалов являются армированные или упрочненные нановолокнами пластики, керамика и другие материалы.

Нитевидные кристаллы: основа наноматериалов

Нитевидные кристаллы (или «усы») — это монокристаллы в форме иголок и волокон, имеющие диаметр от нескольких нм, до нескольких сот мкм и большое отношение длины к диаметру обычно более 100. Один нанометр (от греческого «нано» — карлик) равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов.

Наиболее важное свойство нитевидных кристаллов уникально высокая прочность, в несколько раз превосходящая прочность массивных моно- и поликристаллов. Высокая прочность нитевидных кристаллов объясняется совершенством их структуры и значительно меньшим, чем у массивных кристаллов, количеством (а иногда полным отсутствием) объемных и поверхностных дефектов, одна из важнейших причин малой дефектности нитевидных кристаллов — их малые размеры, при которых вероятность присутствия дефекта в каждом из кристаллов невелика. В нитевидных кристаллах, в отличие от поликристаллических волокон, не могут идти процессы рекристаллизации, обычно вызывающие резкое падение прочности при высоких температурах.

Технологию получения нитевидных кристаллов каждая научная группа старается держать в секрете. Известно несколько методов получения таких структур:

• физическое испарение с последующей конденсацией,
• осаждение из газовой фазы при участии химических реакций,
• кристаллизация из растворов,
• направленная кристаллизация эвтектических сплавов,
• выращивание на пористых мембранах и др.

В большинстве случаев рост нитевидных кристаллов происходит по механизму пар-жидкость-кристалл (VLS — от английского vapor-liquid-solid), однако в случае каждой конкретной системы ноу-хау запуска этого механизма — наиболее ценная интеллектуальная собственность.

Наиболее важные направления в применении нитевидных кристаллов — реализация их высоких прочностных свойств в композиционных материалах, а также использование их высокой тепловой и абразивной стойкости.

Нанокомпозиты на основе полимеров и керамик сочетают в себе качества составляющих компонентов:

• гибкость,
• упругость,
• перерабатываемость полимеров,
• характерные для стекол твердость,
• устойчивость к износу,
• высокий показатель светопреломления.

Благодаря такому сочетанию улучшаются многие свойства материала по сравнению с исходными компонентами. В ближайшее время они найдут применение в качестве специальных твердых защитных покрытий и для неорганических, и для полимерных материалов, а также как световоды и оптические волокна, адгезивы, адсорбенты и, наконец, как новые конструкционные материалы.

Слоистые нанокомпозиты. Их создают на основе керамики и полимеров, но с использованием природных слоистых неорганических структур, таких как монтмориллонит или вермикулит, которые встречаются, например, в глинах. Слой монтмориллонита толщиной ~1нм в ходе реакции ионного обмена насыщают мономерным предшественником с активной концевой группой (капролактамом, бутадиеном, акрилонитрилом или эпоксидной смолой), а затем проводят полимеризацию. Эти материалы характеризуются высокими механическими свойствами, термической и химической стабильностью.

Нанокерамику можно определить как керамический материал, получаемый спеканием глин или порошков неорганических веществ, размеры кристаллитов которых имеют размеры менее 100 нм. Отдельные образцы нанокерамики - прочной, хорошо проводящей тепло и стойкой к резкому перепаду температур можно уже сейчас увидеть на нагреваемой поверхности домашней электроплиты. В дальнейшем можно ожидать широкого применения подобных систем в различных технических системах.

Наноэмульсии (равномерно распределенные нанокапельки одной несмешивающейся жидкости в другой) наиболее известные примеры наножидкостей. Равномерно распределенные твердые наночастицы в жидкости называют нанозолем или коллоидным раствором. Дисперсная фаза магнитных наножидкостей представляет собой однодоменные магниты, равномерно распределенные в объеме дисперсной фазы, подобные системы могут управляться магнитным полем для обеспечения герметизации механических вводов вакуумных систем при производстве полупроводников, в вакуумных печах, электронных микроскопах и других вакуумных установках.

Нанокомпозиты, содержащие металлы или полупроводники. Эти материалы привлекают внимание прежде всего уникальными свойствами входящих в их состав кластеров, образованных разным количеством атомов металла или полупроводника — от десяти до нескольких тысяч. Типичные размеры такого агрегата — от 1 до 10 нм, что соответствует огромной удельной поверхности. Подобные наночастицы отличаются по свойствам (ширине полосы поглощения, спектральным характеристикам, электронному переносу) как от блочного материала, так и индивидуального атома или молекулы, причем полупроводниковые особенно сильно, даже если размер частицы достигает сотен нанометров. Так, при переходе от нанокристаллаCdS к макрокристаллу время жизни увеличивается от пикосекунд до нескольких наносекунд, от 400 до 1600°С повышается температура плавления. Нелинейные оптические свойства нанокластеров позволяют создавать на их основе управляемые квантовые светодиоды для применения в микроэлектронике и телекоммуникации.

Металлические (и полупроводниковые) нанокластеры можно приготовить по-разному: испарением или распылением металлов, восстановлением их солей и другими способами. Например кластеры серебра, золота или палладия размером 1—15 нм были диспергированы в пленку полистирола (или полиметилметакрилата) в ходе полимеризации жидкого мономера, в который предварительно осаждался металл из паров Структура металлического кластера при этом объединяются в агломераты разной величины — вплоть до нескольких десятков нанометров. Похожую структуру имеют композитные пленки, полученные одновременным осаждением паров металла и плазменной полимеризацией бензола или гексаметилдисилазана.

В последнее время именно многослойные нанокомпозиты на силикатной основе привлекают большое внимание, поскольку изготавливаются с помощью простого и рентабельного метода, позволяющего совершенствовать свойства полимеров за счет добавления небольшого количества подходящих специально подобранных наполнителей (органоглин). За счет этого образуются композитные материалы, в которых армирующие частицы распределяются в полимерной матрице на наноразмерном уровне. В зависимости оттого, как наполнитель распределяется внутри матрицы, морфология получаемых нанокомпозитов может различаться от так называемых внедренных нанокомпозитов с регулярно перемежающимися слоистыми силикатами и монослоями полимеров до расслаивающихся типов нанокомпозитов, в которых слои силиката беспорядочно и однородно распределяются внутри полимерной матрицы.

Наиболее простым и экономичным способом производства таких материалов является перемешивание полимера в расплавленном состоянии с многослойным силикатом.

Нанокомпозиты представляют большой интерес для глобальных рынков пластмасс. Полимерные компаунды, содержащие только небольшие количества органоглин (в основном, 5% по массе), можно использовать для производства деталей в автомобильной промышленности, упаковочных пленок с барьерными свойствами и усовершенствованных огнеупорных оплеток кабелей и проводов, а также для многих других применений.

Нанобетон. Создан новый супербетон, который превосходит обычный по всем параметрам — сверхлегкий, особо прочный и стойкий к перепадам температур. Он в два-три раза удешевляет строительство новых объектов, а также может использоваться при восстановлении зданий — в тех случаях, когда традиционные технологии не работают. Новый бетон разработан с применением нанотехнологий. Специальные добавки — так называемые наноинициаторы — существенно улучшают его физические качества. Механическая прочность нанобетона на 150% выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин в три раза ниже. Немаловажно и то, что вес конструкции, изготовленной из такого бетона, снижается примерно в шесть раз. В результате такой модификации пластифицирующих добавок можно добиться фиксированного пластифицирующего эффекта при меньшем расходе пластификатора или снизить водоцементное отношение для увеличения прочности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона.

Ячеистый нанобетон. Микродисперсное армирование ячеистого бетона наномодифицированной базальтовой микрофиброй позволяет получать уникальные строительные материалы новых поколений.

Новый бетон разработан с использованием ноноцемента и применением нанотехнологий. Наноцемент- ультрадисперсный высокореактивный аморфный диоксид кремния. Добавка «Наноцемент» является порошкообразным композиционным материалами состоящий из ультрадисперсного высокореактивного аморфного диоксида кремния, силикагеля и комплекса натриевых солей.

Добавка «Наноцемент» применима для получения товарных бетонов и для производства сборных конструкций из высокопрочного бетона В20 и выше, напорных железобетонных труб; для изготовления на стендах густоармированных конструкций (типа ферм, балок, колонн, свай), плит и панелей в кассетах, на поточно-агрегатных и конвейерных линиях, при возведении ответственных конструкций монолитных сооружении с повышенной степенью армирования и сложной конфигурацией, а также для получения сухих строительных смесей и производства легкого бетона.

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом расширения.

Свойства углеродных волокон. По сравнению с обычными конструкционными материалами, например, алюминием или сталью, композиты с углеродными волокнами обладают некоторыми весьма полезными свойствами. Они имеют исключительно высокую термостойкость: в инертных средах или в вакууме до 3000°С (температура плавления стали 1500°С) и на воздухе до 450°С.

Кроме высоких прочностных свойств и малого веса, углеродное волокно и композиты на его основе (углепластик) имеют черный цвет и хорошо проводят электричество имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения, что делает углеродное волокно незаменимым в некоторых специальных областях применения.

Производителям тканых материалов углеродное волокно поставляется в виде нитей, которые представляют собой группу элементарных углеродных волокон.

Области применения углеродного волокна и углепластика:

• Ракетостроение и авиастроения самолетостроение, вертолетостроение
• Судостроение (военные корабли, спортивное судостроение)
• Автомобилестроение (спортивные автомобили, мотоциклы, тюнинг)
• Средства спортинвентаря (велосипеды, теннисные ракетки, удочки)^!
• Специальные изделия (лопасти ветряных электрогенераторов и т.п.)
• Углеродное волокно — основная линейка продукции
• Стандартные равнопрочные ткани — используют углеродное волокно (прочность по основе и утку равна) различных переплетений плотностью от 93 до 630 гр/м2.
• Тяжелые равнопрочные ткани — используют углеродное волокно плотностью от 650 до 1350 гр/м2.

• Тяжелые однонаправленные ткани из углеродного волокна.

Освоение композитных материалов и их практическое использование в самых различных отраслях экономики — актуальнейшая задача наших исследователей и учёных.