Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




20.07.2019


20.07.2019


18.07.2019


17.07.2019


15.07.2019


13.07.2019


13.07.2019


12.07.2019


11.07.2019


11.07.2019





Яндекс.Метрика

Контакты | Карта сайта
         » » Структурные аспекты формирования каркасных композитов

Структурные аспекты формирования каркасных композитов

30.03.2016

Структура каркасного композита представляет собой совокупность соприкасающихся, склеенных друг с другом зерен крупного заполнителя или волокон, пустоты между которыми заполнены дисперсной средой — матрицей. Физико-технические свойства каркасных композитов предопределяются: структурой клея каркаса, заполнителей и матрицы; особенностями взаимодействия на границах заполнитель — клей каркаса и каркас — матрица; характером геометрической упаковки заполнителей в каркасе.
Основными требованиями к клею каркаса, наряду с бездефектностью, высокой прочностью на растяжение, сжатие, сдвиг и долговечностью, являются высокая адгезия клея к поверхности заполнителей и способность релаксировать напряжения, возникающие от усадочных и температурных деформаций матрицы, а также при механическом нагружении композита. Этим требованиям в большей степени отвечают ненаполненные и малонаполненные композиты с v = 0-0,3.
К пропиточным композициям (матрицам) наряду с высокой прочностью сцепления с поверхностью каркаса и долговечностью в условиях различных агрессивных сред при изготовлении некоторых изделий могут предъявляться требования по усилению прочности и жесткости. В качестве пропиточных матриц пригодны композиции с различной степенью наполнения: v = 0-vmax. Однако с целью удешевления композитов и изготовления элементов, работающих в условиях больших статических сжимающих нагрузок, наиболее оправдано применение высоконаполненных композитов, обладающих повышенной жесткостью и прочностью при сжатии по сравнению с ненаполненной смолой. Вопросам формирования и исследования структуры ненаполненных полимерных композитов посвящены многочисленные работы.
Объемная доля наполнителя в наполненных композициях определяется из уравнения объемного расхода составляющих ее компонентов:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

где mн, mс, ρн и ρс — масса и плотность соответственно наполнителя и связующего; γ — насыпная плотность наполнителя при предельном уплотнении; α = √1+2a/dr — коэффициент раздвижки частиц наполнителя в связующем; а — расстояние между частицами в связующем; dr — диаметр частиц.
Решение уравнения (2.1) относительно α дает его зависимость от плотности упаковки частиц η и расхода наполнителя φн:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

Учитывая, что предельная плотность упаковки частиц равна отношению насыпной плотности наполнителя при предельном уплотнении к плотности наполнителя, записав диаметр частиц через удельную поверхность, получим выражение для α, которое примет вид:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

где Sо = 6/dr*ρн — удельная поверхность наполнителя.
Приравнивание (2.2) и (2.3) дает уравнение зависимости расхода наполнителя в матричной композиции:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

Расстояние между частицами наполнителя в матричной композиции находим из рассмотрения модели в виде куба, в котором наполнители в объеме Vк располагаются по кубической укладке.
Согласно, объем Vк разбивается на N маленьких кубиков одинакового объема, в которых находятся по одной частице наполнителя. Центр тяжести располагается в центре кубика. В этом случае его сторона будет равна a+dr. Считая, что объем композиционного материала Vк равен сумме объемов наполнителя (Vн) и связующего (Vc) и принимая форму наполнителей за шарообразную, запишем:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

Решение уравнения (2.5) относительно а дает:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

В технических расчетах удобнее пользоваться характеристикой массовой степени наполнения φ = mн/mс (где mн — масса наполнителя, mc — масса связующего), которая с показателем объемной доли наполнителя (Vн) связана следующей зависимостью:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

Записав затем в выражении (2.6) объемные содержания всей композиции и наполнителя через массовые части, получим:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

Параметрами, характеризующими структуру каркаса, являются толщина пленки клеевой композиции на зернах заполнителя и геометрическая упаковка заполнителей. Зерна заполнителя должны быть полностью покрыты пленкой связующего. Как неполное покрытие зерен связующим, так и его избыток ухудшают свойства каркаса. При недостатке связующего каркас имеет низкую прочность и разрушается под воздействием различных факторов, при избытке же происходит закупорка пор в каркасе, что не позволяет производить качественную пропитку его пустот.
Толщина пленки связующего на. зернах определяется по формуле
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

где Vк — объем клея в каркасной смеси; S — суммарная поверхность заполнителей.
Суммарная поверхность единицы объема заполнителей вычисляется произведением площади поверхности одного заполнителя на их количество: S = π*N*d2, где N и d — соответственно количество и диаметр зерен.
Для определения геометрических показателей каркаса рассмотрим элементарную ячейку, в которой заполнитель представляется в виде жестких сфер одинакового размера. Такая модель принята многими авторами для моделирования композитов, составленных На различных связующих и на гранулированных и волокнистых заполнителях, а также грунтовых масс. Модели представляются в виде некоторой укладки шаров одинакового диаметра. Различают гексагональные, кубические упаковки, упаковки Фревеля—Крессли, Майера—Стоува и др. Для них существует универсальное соотношение между пористостью, удельной поверхностью и радиусом шара:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

где R — радиус шара; ε = 1—4/3πR3n — пористость; S = 4πR2n — удельная поверхность, выраженная через радиус; n — число шаров в единице объема.
Регулярные упаковки характеризуются также координационным числом упаковки (Ny), которое равно числу контактов шаров с соседними шарами. Существует связь между координационным числом упаковки и пористостью. Чем больше Ny, тем меньше пористость (табл. 2.1).
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

Плотность и пустотность заполнителей в единице объема можно определить из соотношений:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

где θ — угол, образованный линиями, соединяющими центры соприкасающихся шаров.
Для трехкомпонентной системы (каркасного композита) важнейшими структурными показателями являются количественное содержание компонентов и адгезионное взаимодействие между ними. Учитывая, что заполнители в каркасном бетоне соприкасаются между собой без заметной раздвижки, для расчета содержания крупного заполнителя могут быть использованы данные, приведенные в табл 2.1. Объемное содержание компонентов в композите определяется видом геометрической упаковки заполнителей. Рассмотрим случай наиплотнейшего заполнения объема заполнителями. Запишем единичное выражение объема каркасного композита:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

где Vк, Vм и Vз — соответственно объем клея каркаса, матрицы и заполнителей.
Степень заполнения объема шарами в случае наиплотнейшей гексагональной упаковки составляет:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

Тогда количество шаров в объеме будет равно:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

где Vш = πd3/6 — объем одного шара.
Записывая в формуле (2.14) объем шара через его диаметр, получим:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

С учетом (2.9) суммарная поверхность единицы объема заполнителей будет равна:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

Подставив значение S в формулу (2.8), подучим выражение для определения доли объема клея в единице объема каркаса:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

С учетом известных объемов заполнителя и клея каркаса доля объема матрицы будет равна:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

При склеивании особое внимание следует обратить на образование поверхностных соединений с более сильными связями (высокой адгезионной прочностью). В настоящее время существуют различные теории, по-разному объясняющие адгезию: механическая, молекулярная (адсорбционная) электростатическая, диффузионная, реологическая и химическая. Данные теории, за исключением первой, рассматривают адгезию как результат взаимодействия молекул, между которыми могут действовать физические, химические и молекулярные силы. Механическая теория объясняет адгезию как механическое соединение, возникающее за счет заклинивания и зацепления клея в неровностях, полостях, порах склеиваемых материалов.
В связи с вышеуказанным для обеспечения высокой адгезионной прочности) во-первых, необходимо способствовать получению плотного контакта между клеем и субстратом и, во-вторых, для усиления процессов взаимодействия осуществлять направленный подбор клея и субстрата с требуемыми физическими и химическими свойствами. Первое условие определяется смачивающей способностью клея, которая выражается через удельную работу адгезии, т.е. работу, затраченную на преодоление сил сцепления двух поверхностей для их разделения, определяемую известной зависимостью Юнга:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

где γs, γα, γsα — свободные поверхностные энергии поверхностей взаимодействия соответственно твердое тело — газ, жидкость — газ и твердое тело — жидкость.
Запишем выражение, связывающее поверхностные энергии со значением краевого угла смачивания:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

Тогда, подставив (2.20) в (2.19), получим уравнение Дюпре:
Структурные аспекты формирования каркасных композитов

Лучшее смачивание происходит, когда поверхностная энергия твердого тела больше поверхностной энергии на границе твердое тело — жидкость. При θ=0 обеспечивается абсолютная смачиваемость поверхности жидкостью (жидкость свободно растекается по поверхности подложки), при θ=π — абсолютная несмачиваемость. Принято считать поверхность гидрофильной (смачиваемой), если жидкость образует с ней угол θ≤π/2, при в θ≥π/2 поверхность называется гидрофобной. Краевой угол скачивания зависит от шероховатости и температуры смачиваемой поверхности, содержания поверхностно-активных веществ в жидкости или на поверхности материала. Авторами установлено: на гидрофильных поверхностях увеличение температуры приводит к улучшению смачиваемости (уменьшение θ), а на гидрофобных — к ухудшению (увеличение θ), увеличение шероховатости твердой поверхности увеличивает и ее смачиваемость, т. е. снижает значение θ.
Для того чтобы создать условия хорошего адгезионного взаимодействия, необходимо осуществлять целенаправленный подбор клея и наполнителей с требуемыми физико-химическими свойствами. Значительная роль при этом принадлежит таким показателям, как полярность, водородный показатель и диэлектрическая проницаемость. Болee высокая совместимость достигается, если данные свойства у клея и субстрата являются близкими. Наиболее стабильна химическая связь. Согласно правилу Дебройна силы адгезии максимальны при одинаковой полярности контактирующих поверхностей.