1.2.6 Специальные свойства

Специальные свойства, например, радиационно-защитные, акустические, декоративные, герметизирующие и другие представляют интерес при выборе материалов для конструкций специального назначения. Требования к специальным свойствам в каждом конкретном случае устанавливают с учётом условий эксплуатации конструкций. Испытание и определение характеристик специальных свойств проводят с использованием соответствующих методов, приборов и оборудования.

Таблица 1.1 - Шкала твёрдости Мооса

Показатель твердости	Минерал	Характеристика твердости
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	Тальк или мел Каменная соль или гипс Кальцит или ангидрит Флюорит (плавиковый шпат) Апатит Ортоклаз Кварц Топаз Корунд Алмаз	Легко чертится ногтем Чертится ногтем Легко чертится стальным ножом Царапается стальным ножом под небольшим нажимом Царапается стальным ножом под сильным нажимом Слегка царапает стекло, стальным ножом не чертится Легко царапают стекло, стальным ножом не чертятся

3. Структурообразование композиционных материалов

Композитные материалы представляют собой сложные многофазные системы, получаемые из двух или более разнородных компонентов. При этом один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объёму, называют м а т р и ц е й. Другой компонент прерывный, разделённый в объёме композиции, считается у п р о ч н я ю щ и м или а р м и р у ю щ и м. Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, керамика, полимеры и др. Упрочняющими или армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.

В композитных материалах – композитах разнородные компоненты создают так называемый синергетический эффект- новое качество материала,

отличающееся от свойств исходных компонентов.

Появление названия композиционных материалов связано с принципиально новым направлением в технике, позволившем получать высокопрочные материалы, в основном, для авиа-, ракето- и машиностроения.

Производство композитов в мире стремительно растёт. Если 30 лет назад в западной Европе и США было произведено по 350 тысяч т. композитов, то к настоящему времени их годовое потребление составляет по 2,5-3 млн. т. , т.е. увеличилось в 7-8 раз. Одновременно с этим уменьшилось потребление стали. С учетом меньшей в 4 раза массы и в 2-3- раза увеличение выхода готового продукта, а также увеличение в 2-3 раза продолжительности эксплуатации 1т композитов может заменить 5-10 т. стали. Поэтому, развитие технологий и создание новых эффективных материалов различного назначения может базироваться на теории композитов.

К композиционным можно отнести и многие строительные материалы: бетон, железобетон, фибробетон, асбестоцемент, древесноволокнистые плиты, арболит, ксилолит, стеклопластики и др.

Механические и другие свойства композитов определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих компонентов, жёсткостью матрицы, прочностью связей на границе матрица- армирующий компонент.

Соотношение этих параметров характеризует весь комплекс механических свойств материала. Многообразие волокнистых и порошкообразных компонентов и матричных материалов, а также схем армирования позволяет регулировать механические, технологические и другие свойства композитов в требуемом направлении.

Можно выделить несколько больших групп композитов с полимерной (пластики), металлический (металлокомпозиты), керамической и углеродной матрицей.

В зависимости от природы армирующих волокон различают группы композитов на полимерной матрице: стеклопластики, углепластики, органо-

пластики, боропластики и т.д. То же и на других матрицах.

В зависимости от вида армирования композиты могут быть разделены на 2 группы: дисперсно-упрочнённые и волокнистые.

Дисперсно- упрочнённые композиты представляют собой материал в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы. При упрочнении очень мелкими частицами (d = 0,001-0,1мкм) объёмная их концентрация в композите может достигать 15%; при более крупных (более 1,0мкм) объёмная концентрация может быть 25% и более. Дисперсное армирование композита повышает прочность, твёрдость, теплостойкость и сохраняет эластичность. Например, матрица - битум, каучук, синтетический полимер; упрочняющие частицы – мел, смола, гранит, кремнезём, известняк. В таких композитах всю нагрузку воспринимает упрочнённая матрица.

В волокнистых композитах высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения при нагрузках и обеспечивают прочность и жёсткость композита. Объёмная доля равномерно распределённых волокон в таких композитах достигает 75% и более.

При создании волокнистых композитов применяют высокопрочные стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки, волокна и нитевидные кристаллы рода карбидов, оксидов, нитридов и других соединений. Используют их в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов.

Матрица обеспечивает монолитность волокнистого композита, фиксирует форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон.

Уровень свойств композитов и их работа при эксплуатации определяется в первую очередь адгезионным (склеивающим) взаимодействием волокон и матрицы на границе раздела между ними. Граница раздела должна обеспечить эффективную передачу нагрузки от матрицы на волокна. Адгезионная связь на границе не должна разрушаться под действием температурных и усадочных напряжений и должна обеспечивать защиту волокон от внешних воздействий.

В настоящее время примером волокнистого композита, применяемого в строительстве, может служить стеклопластик типа СВАМ (стекловолокнистый анизотропный материал). СВАМ обладает прочностью при растяжении до 1000 МПа при плотности 1,8-2 г/см³ . Для сравнения – нормативный предел текучести стальной стержневой арматуры для железобетонных конструкций находится в пределах 240-1000 МПа при плотности стали 7,8 г/см³. Кроме того, СВАМ выгодно отличается от стали химической стойкостью, что предопределяет его эффективность для изготовления труб, ёмкостей и конструкций, работающих в агрессивных средах.

Прочностные показатели волокон бора, карбида кремния, углерода, нитевидных кристаллов оксида алюминия, нитрида кремния на порядок выше стекловолокна. Однако стоимость таких волокон пока очень высока, что позволяет их использовать только в тех областях, где стоимость материала имеет второстепенное значение. Тем не менее, со временем, по мере совершенствования технологий, стоимость новых материалов будет снижаться, и они будут доступны для строительной сферы.