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




25.05.2018


24.05.2018


24.05.2018


23.05.2018


21.05.2018


21.05.2018


21.05.2018


21.05.2018


17.05.2018


17.05.2018





Яндекс.Метрика
         » » 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.