Нові композиційні матеріали на основі промислових відходів хі

Федеральне агентство освіти РФ
Державна освітня установа
вищої професійної освіти
Московський державний індустріальний університет
(ГОУ МГИУ)
Факультет економіки, менеджменту та інформаційних технологій
реферат
по курсу БЖД
НА ТЕМУ: «нові композиційні матеріали на основі промислових відходів хімічних волокон»
Виконала: студентка групи 4271
Гудкова Ю.А.
Перевірила: Гапонюк М.А.
Москва 2007 р .

Зміст
Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 3
Нові матеріали як перспективна хімічна продукція ... ... ... ... ... ... .4
Композиційні матеріали ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 6
Структура композиційних матеріалів ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 7
Полімерні композиційні матеріали (ПКМ) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 8
Композиційні матеріали з металевою матрицею ... ... ... ... ... ... ... ... 12
Композиційні матеріали на основі кераміки ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 13
Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 14
Список використаної літератури ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 15

Введення
Волокнисті композити армовані волокнами або ниткоподібними кристалами - цеглини з соломою і пап'є-маше можна віднести якраз до цього класу композитів. Вже невеликий вміст наповнювача в композитах такого типу призводить до появи якісно нових механічних властивостей матеріалу. Широко варіювати властивості матеріалу дозволяє також зміна орієнтації розміру та концентрації волокон. Крім того, армування волокнами додає матеріалу анізотропію властивостей (відмінність властивостей у різних напрямках), а за рахунок добавки волокон провідників можна додати матеріалу електропровідність вздовж заданої осі.

Нові матеріали як перспективна хімічна продукція
Одне з найважливіших напрямків, що визначають розвиток усіх галузей промисловості, будівництва, медицини і сфери послуг - це нові матеріали. Зміни укладів життя людства пов'язані з відкриттям і освоєнням виробництва нових матеріалів. Матеріали - це щаблі нашої цивілізації, а нові матеріали - це трамплін для стрибка в майбутнє, що міняє вигляд нашого буття.
Коли ми говоримо про критерії, що визначають пріоритетні, критичні технології (якість життя, безпека, конкурентоспроможність і т.д.), одним з найважливіших критеріїв є така характеристика технології - як здатність докорінно змінити, "перевернути" всю структуру виробництва, а можливо, і соціальних умов життя людства. До таких технологій, ймовірно, відносяться інформаційні технології, біотехнології, генна інженерія. До цих же технологій відносяться і технології одержання нових матеріалів. За експертними оцінками в найближчі 20 років 90% матеріалів будуть замінені принципово новими, що призведе до революції в різних областях техніки. Про перспективність робіт за новими матеріалами свідчить і той факт, що майже 22% світових патентів видаються на винаходи в цій області. Про це ж говорить і динаміка зростання світових ринків основних видів нових матеріалів до 2000 року. Особливо помітний прогрес у розробці виробництві неорганічних матеріалів - це кераміка, матеріали для мікроелектроніки і пр.
Солідний науковий доробок російських вчених і їх самовіддану працю в умовах важкої фінансової ситуації дозволяє Росії до цих пір зберігати досить високий науково-технічний потенціал у цій галузі розробок. Порівняльні оцінки незалежних експертів показують, що в області нових матеріалів Росія має загальний високий рівень та пріоритетні досягнення в окремих областях. Найбільш високий рівень розробок з композиційним, полімерним, і надтвердим матеріалами, трохи нижче - по керамічних матеріалами, але по жодному напрямку Росія не має значного відставання від світового рівня, і по кожному з напрямків має розробки, які не поступаються світовим. За оцінками Групи з перегляду національних критичних технологій США при Білому домі можливості Росії в галузі технологій матеріалів по ряду напрямків рівні можливостям промислово розвинених країн. Таким чином, в Росії збережена база розробки та виробництва нових матеріалів. У 33 регіонах Росії успішно працюють близько 200 наукових колективів, здатних розробляти нові матеріали і технології їх виготовлення на рівні, що відповідає сучасним вимогам.
Ми всі вступаємо в ХХІ століття і доцільно розглянути вимоги цього століття в технологіями отримання матеріалів. Для розвитку техніки високих температур необхідні композиційні матеріали (КМ) на основі вуглецевих волокон (УВ), вуглецевих і карбіду-вуглецевих матриць. Основні вимоги до таких КМ в даний час і, особливо, в недалекому майбутньому буде зведено до наступного:
У двигунах сучасних і майбутніх ракет, в системах управління вектором тяги, наконечниках і кромках крил в слабоокіслітельной атмосфері потрібні матеріали з робочою температурою до 4000  С, міцністю до 200 МПа і з щільністю не більше 2 г / см ^3, що виключає використання жароміцних сплавів .
У авіаційних газотурбінних двигунах (ВМД) необхідні матеріали з робочою температурою до 2000  С, міцністю до 250 МПа, коефіцієнтом температурного розширення близьким до нуля, часом експлуатації в сильно окисної атмосфері до 1000 год.
Для виготовлення гальмівних дисків авіаційних коліс необхідні фрикційні матеріали міцністю до 150 МПа, з коефіцієнтом тертя до 0,35, з робочою температурою до 1800  С.
Зрозуміло, що отримати такі характеристики матеріалів неможливо тільки шляхом застосування існуючих вуглецевих волокон.
До числа значних досягнень Росії в галузі створення таких матеріалів слід віднести:
- Алюміній-літієві сплави, що забезпечують зниження ваги авіаційних конструкцій на 15-20% (розробки США тільки зараз наблизилися до наших здобутків);
- Направлено закристалізованими жароміцні евтектичні сплави, що представляють собою природні композиційні матеріали, в яких вперше в історії розвитку конструкційних матеріалів реалізована теоретична міцність волокон ниткоподібних кристалів;
- Технології та обладнання високоградієнтних спрямованої кристалізації жароміцних сплавів з монокристаллической структурою для охолоджуваних робочих лопаток газових турбін, що забезпечують отримання ультратонкої дендритной структури.
Композиційні матеріали
КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ (Композити) - багатокомпонентні матеріали, що складаються, як правило, з пластичної основи (матриці), армованої наповнювачами, що володіють високою міцністю, жорсткістю і т.д. Поєднання різнорідних речовин призводить до створення нового матеріалу, властивості якого кількісно і якісно відрізняються від властивостей кожного з його складових. Варіюючи склад матриці і наповнювача, їх співвідношення, орієнтацію наповнювача, отримують широкий спектр матеріалів з необхідним набором властивостей. Багато композити перевершують традиційні матеріали і сплави за своїми механічними властивостями і в той же час вони легше. Використання композитів зазвичай дозволяє зменшити масу конструкції при збереженні чи поліпшенні її механічних характеристик.
Те, що малі добавки волокна значно збільшують міцність і в'язкість крихких матеріалів, було відомо з найдавніших часів. За часів єгипетського рабства євреї додавали солому в цеглини, щоб вони були міцніше і не розтріскуються при сушінні на спекотному сонці.
Подібні технології існували у багатьох народів. Інки використовували рослинні волокна при виготовленні кераміки, а англійські будівельники до недавнього часу додавали в штукатурку трохи волосся.
Інший композит, відомий ще в Давньому Єгипті, містив набагато більший відсоток волокон, ніж єгипетські цеглу. Оболонки для єгипетських мумій робили з шматків тканини або папірусу, просочених смолою або клеєм. Цей матеріал (пап'є-маше) був заново відкритий тільки у 18 ст. (Замість папірусу використовувалися шматки паперу) і був популярний до середини 20 ст. З пап'є-маше робили іграшки, рекламні макети, а іноді навіть меблі.
Мабуть, в кожному сучасному будинку знайдуться предмети меблів, зроблені з поширеного в наші дні композиційного матеріалу - деревно-стружкових плит (ДСП), в яких матриця з синтетичних смол наповнена деревними стружками і тирсою. А найбільш відомим на сьогоднішній день композитом, найімовірніше, є залізобетон. Поєднання бетону і залізних прутів дає матеріал, з якого споруджують конструкції (прольоти мостів, балки тощо), які витримують великі навантаження, що викликають розтріскування звичайного бетону. Цікаво, що першими застосовувати залізо як арматури стали древні греки, причому армувати вони мармур. Коли архітектору Мнесікла в 437 до н.е. знадобилося перекрити прольоти довжиною в 4-6 м, він замурував у спеціальних канавках в мармурових плитах двометрові залізні стрижні, щоб перекриття впоралися з напругою.
Компонентами композитів є найрізноманітніші матеріали - метали, кераміка, скла, пластмаси, вуглець і т.п. Відомі багатокомпонентні композиційні матеріали - поліматричного, коли в одному матеріалі поєднують кілька матриць, або гібридні, які включають у себе різні наповнювачі. Наповнювач визначає міцність, жорсткість і деформованість матеріалу, а матриця забезпечує монолітність матеріалу, передачу напруги в наповнювачі і стійкість до різних зовнішніх впливів.
Структура композиційних матеріалів
За структурою композити діляться на декілька основних класів: волокнисті, шаруваті, дісперсноупрочненние, зміцнені частками і нанокомпозити. Волокнисті композити армовані волокнами або ниткоподібними кристалами - цеглини з соломою і пап'є-маше можна віднести якраз до цього класу композитів. Вже невеликий вміст наповнювача в композитах такого типу призводить до появи якісно нових механічних властивостей матеріалу. Широко варіювати властивості матеріалу дозволяє також зміна орієнтації розміру та концентрації волокон. Крім того, армування волокнами додає матеріалу анізотропію властивостей (відмінність властивостей у різних напрямках), а за рахунок добавки волокон провідників можна додати матеріалу електропровідність вздовж заданої осі.
У шаруватих композиційних матеріалах матриця і наповнювач розташовані шарами, як, наприклад, в особливо міцному склі, армованому декількома шарами полімерних плівок.
Мікроструктура решти класів композиційних матеріалів характеризується тим, що матрицю наповнюють частками армуючого речовини, а розрізняються вони розмірами частинок. У композитах, зміцнених частинками, їх розмір більше 1 мкм, а вміст становить 20-25% (за об'ємом), тоді як дісперсноупрочненние композити включають в себе від 1 до 15% (за об'ємом) часток розміром від 0,01 до 0,1 мкм. Розміри частинок, що входять до складу нанокомпозитів - нового класу композиційних матеріалів - ще менше і становлять 10-100 нм.
Полімерні композиційні матеріали (ПКМ)
Композити, в яких матрицею служить полімерний матеріал, є одним з найбільш численних і різноманітних видів матеріалів. Їх застосування в різних областях дає значний економічний ефект. Наприклад, використання ПКМ при виробництві космічної та авіаційної техніки дозволяє заощадити від 5 до 30% ваги літального апарату. А зниження ваги, наприклад, штучного супутника на навколоземній орбіті на 1 кг призводить до економії 1000 $. В якості наповнювачів ПКМ використовується безліч різних речовин.
А) Склопластики - полімерні композиційні матеріали, армовані скляними волокнами, які формують з розплавленого неорганічного скла. В якості матриці найчастіше застосовують як термореактивні синтетичні смоли (фенольні, епоксидні, поліефірні тощо), так і термопластичні полімери (поліаміди, поліетилен, полістирол і т.д.). Ці матеріали мають досить високою міцністю, низькою теплопровідністю, високими електроізоляційними властивостями, крім того, вони прозорі для радіохвиль. Використання склопластиків почалося в кінці Другої світової війни для виготовлення антенних обтічників - куполоподібних конструкцій, в яких розміщується антена локатора. У перших армованих стеклопластиках кількість волокон було невеликим, волокно вводилося, головним чином, щоб нейтралізувати грубі дефекти тендітної матриці. Проте з часом призначення матриці змінилося - вона стала служити тільки для склеювання міцних волокон між собою, вміст волокон у багатьох стеклопластиках досягає 80% за масою. Шаруватий матеріал, в якому в якості наповнювача застосовується тканину, плетені з скляних волокон, називається стеклотекстолитов.
Склопластики - досить дешеві матеріали, їх широко використовують у будівництві, суднобудуванні, радіоелектроніці, виробництві побутових предметів, спортивного інвентарю, віконних рам для сучасних склопакетів і т.п.
Б) Вуглепластики - наповнювачем у цих полімерних композитах служать вуглецеві волокна. Вуглецеві волокна отримують з синтетичних і природних волокон на основі целюлози, кополімерів акрилонітрилу, нафтових і кам'яновугільних пеков і т.д. Термічна обробка волокна проводиться, як правило, у три етапи (окислення - 220 ° С, карбонізація - 1000-1500 ° С і графітизація - 1800-3000 ° С) і призводить до утворення волокон, що характеризуються високим змістом (до 99,5% у масі) вуглецю. У залежності від режиму обробки та вихідної сировини отримане углеволокно має різну структуру. Для виготовлення вуглепластиків використовуються ті ж матриці, що і для склопластиків - найчастіше - термореактивні і термопластичні полімери. Основними перевагами вуглепластиків в порівнянні з склопластиками є їх низька щільність і більш високий модуль пружності, вуглепластики - дуже легкі і, в той же час, міцні матеріали. Вуглецеві волокна і вуглепластики мають практично нульовий коефіцієнт лінійного розширення. Всі вуглепластики добре проводять електрику, чорного кольору, що дещо обмежує області їх застосування. Вуглепластики використовуються в авіації, ракетобудуванні, машинобудуванні, виробництві космічної техніки, медтехніки, протезів, при виготовленні легких велосипедів та іншого спортивного інвентаря.
На основі вуглецевих волокон і вуглецевої матриці створюють композиційні вуглеграфітові матеріали - найбільш термостійкі композиційні матеріали (углеуглепластікі), здатні довго витримувати в інертних або відновлювальних середовищах температури до 3000 ° С. Існує кілька способів виробництва подібних матеріалів. За одним із них вуглецеві волокна просочують фенолформальдегидной смолою, піддаючи потім дії високих температур (2000 ° С), при цьому відбувається піроліз органічних речовин і утворюється вуглець. Щоб матеріал був менш пористим і більш щільним, операцію повторюють кілька разів. Інший спосіб отримання вуглецевого матеріалу полягає в прожаренні звичайного графіту при високих температурах в атмосфері метану. Мелкодісперсний вуглець, що утворюється при піролізі метану, закриває усі пори в структурі графіту. Щільність такого матеріалу збільшується в порівнянні з щільністю графіту в півтора рази. З углеуглепластіков роблять високотемпературні вузли ракетної техніки і швидкісних літаків, гальмівні колодки та диски для швидкісних літаків і багаторазових космічних кораблів, електротермічне обладнання.
В) Боропластікі - композиційні матеріали, що містять у якості наповнювача борні волокна, впроваджені в термореактивних полімерну матрицю, при цьому волокна можуть бути як у вигляді монониток, так і у вигляді джгутів, обплетених допоміжної скляних ниток або стрічок, у яких борні нитки переплетені з іншими нитками. Завдяки великій твердості ниток, що виходить матеріал володіє високими механічними властивостями (борні волокна мають найбільшу міцність при стисненні в порівнянні з волокнами з інших матеріалів) та великою стійкістю до агресивних умов, але висока крихкість матеріалу ускладнює їх обробку і накладає обмеження на форму виробів з боропластіков. Крім того, вартість борних волокон дуже висока (близько 400 $ / кг) у зв'язку з особливостями технології їх отримання (бор осаджують з хлориду на вольфрамову підкладку, вартість якої може досягати до 30% вартості волокна). Термічні властивості боропластіков визначаються термостійкістю матриці, тому робочі температури, як правило, невеликі.
Застосування боропластіков обмежується високою вартістю виробництва борних волокон, тому вони використовуються головним чином в авіаційній і космічній техніці в деталях, що піддаються тривалих навантажень в умовах агресивного середовища.
Г) Органопластікі - композити, в яких наповнювачами служать органічні синтетичні, рідше - природні та штучні волокна у вигляді джгутів, ниток, тканин, паперу і т.д. У термореактивних органопластіках матрицею служать, як правило, епоксидні, поліефірні та фенольні смоли, а також полиимид. Матеріал містить 40-70% наповнювача. Вміст наповнювача в органопластіках на основі термопластичних полімерів - поліетилену, ПВХ, поліуретану і т.п. - Варіюється в значно більших межах - від 2 до 70%. Органопластікі мають низьку щільність, вони легше скло-і вуглепластиків, відносно високою міцністю при розтягуванні; високий опір удару і динамічним навантаженням, але, в той же час, низькою міцністю при стиску і вигині.
Важливу роль у поліпшенні механічних характеристик органопластіка грає ступінь орієнтація макромолекул наповнювача. Макромолекули жорстколанцюгових полімерів, таких, як поліпарафенілтерефталамід (кевлар) в основному орієнтовані в напрямку осі полотна і тому мають високу міцність при розтягуванні вздовж волокон. З матеріалів, армованих кевларом, виготовляють пулезащітние бронежилети.
Органопластікі знаходять широке застосування в авто-, судно-, машинобудуванні, авіа-і космічної техніки, радіоелектроніки, хімічному машинобудуванні, виробництві спортивного інвентарю і т.д.
Д) Полімери, наповнені порошками. Відомо понад 10000 марок наповнених полімерів. Наповнювачі використовуються як для зниження вартості матеріалу, так і для надання йому спеціальних властивостей. Вперше наповнений полімер почав виробляти доктор Бейкеленд (Leo H. Baekeland, США), який відкрив на початку 20 ст. спосіб синтезу фенолформфльдегідной (бакелітовій) смоли. Сама по собі ця смола - речовина крихке, що володіє невисокою міцністю. Бейкеленд виявив, що добавка волокон, зокрема, деревної муки до смолі до її затвердіння, збільшує її міцність. Створений ним матеріал - бакеліт - придбав велику популярність. Технологія його приготування проста: суміш частково отвержденного полімеру і наповнювача - прес-порошок - під тиском необоротно твердне у формі. Перше серійне виріб вироблено за даною технологією в 1916, це - ручка перемикача швидкостей автомобіля «Роллс-Ройс». Наповнені термореактивні полімери широко використовуються досі.
Зараз застосовуються різноманітні наповнювачі так термореактивних, так і термопластичних полімерів. Карбонат кальцію і каолін (біла глина) дешеві, запаси їх практично не обмежені, білий колір дає можливість забарвлювати матеріал. Застосовують для виготовлення жорстких та еластичних полівінілхлоридних матеріалів для виробництва труб, електроізоляції, облицювальних плиток і т.д., поліефірних склопластиків, наповнення поліетилену і поліпропілену. Додавання тальку в поліпропілен істотно збільшує модуль пружності і теплостійкість даного полімеру. Сажа найбільше використовується в якості наповнювача гум, але вводиться і в поліетилен, поліпропілен, полістирол і т.п. Як і раніше широко застосовують органічні наповнювачі - деревне борошно, мелену шкаралупу горіхів, рослинні та синтетичні волокна. Для створення біорозкладається композитів в якість наповнювача використовують крохмаль.
Е) Текстоліти - шаруваті пластики, армовані тканинами з різних волокон. Технологія отримання текстолітів була розроблена в 1920-х на основі фенолформальдегідних смоли. Полотна тканини просочували смолою, потім пресували при підвищеній температурі, отримуючи текстолітові пластини. Роль одного з перших застосувань текстолітів - покриття для кухонних столів - важко переоцінити.
Основні принципи отримання текстолітів збереглися, але зараз з них формують не тільки пластини, але й фігурні вироби. І, звичайно, розширилося коло вихідних матеріалів. Єднальними в текстоліту є широке коло термореактивних і термопластичних полімерів, іноді навіть застосовуються й неорганічні сполучні - на основі силікатів і фосфатів. В якості наповнювача використовуються тканині з найрізноманітніших волокон - бавовняних, синтетичних, скляних, вуглецевих, азбестових, базальтових і т.д. Відповідно різноманітні властивості і застосування текстолітів.
Композиційні матеріали з металевою матрицею
  При створенні композитів на основі металів в якості матриці застосовують алюміній, магній, нікель, мідь і т.д. Наповнювачем служать або високоміцні волокна, або тугоплавкі, не розчиняються в основному металі частинки різної дисперсності.
Властивості дісперсноупрочненних металевих композитів ізотропні-однакові у всіх напрямках. Додавання 5-10% армуючих наповнювачів (тугоплавких оксидів, нітридів, боридів, карбідів) призводить до підвищення опірності матриці навантажень. Ефект збільшення міцності порівняно невеликий, проте цінно збільшення жароміцності композиту в порівнянні з вихідною матрицею. Так, введення в жароміцний хромонікелевий сплав тонкодисперсних порошків оксиду торію або оксиду цирконію дозволяє збільшити температуру, при якій вироби з цього сплаву здатні до тривалої роботи, з 1000 ° С до 1200 ° С. Дісперсноупрочненние металеві композити отримують, вводячи порошок наповнювача в розплавлений метал, або методами порошкової металургії.
Армування металів волокнами, ниткоподібними кристалами, дротом значно підвищує як міцність, так і жаростійкість металу. Наприклад, сплави алюмінію, армовані волокнами бору, можна експлуатувати при температурах до 450-500 ° С, замість 250-300 ° С. Застосовують оксидні, борідние, карбідні, нітридних металеві наповнювачі, вуглецеві волокна. Керамічні та оксидні волокна з-за своєї крихкості не допускають пластичну деформацію матеріалу, що створює значні технологічні труднощі при виготовленні виробів, тоді як використання більш пластичних металевих наповнювачів дозволяє переформуванням. Отримують такі композити просяканням пучків волокон розплавами металів, електроосадження, змішуванням з порошком металу і наступним спіканням і т.д.
У 1970-х з'явилися перші матеріали, армовані ниткоподібними монокристалами («вусами»). Ниткоподібні кристали отримують, простягаючи розплав через фільєри. Використовуються «вуса» оксиду алюмінію, оксиду берилію, карбідів бору і кремнію, нітриду алюмінію і кремнію і т.д. довжиною 0,3-15 мм і діаметром 1-30 мкм. Армування «вусами» дозволяє значно збільшити міцність матеріалу і підвищити його жаростійкість. Наприклад, межа плинності композиту з срібла, що містить 24% «вусів» оксиду алюмінію, у 30 разів перевищує межу текучості срібла і в 2 рази - інших композиційних матеріалів на основі срібла. Армування «вусами» оксиду алюмінію матеріалів на основі вольфраму і молібдену вдвічі збільшило їх міцність при температурі 1650 ° С, що дозволяє використовувати ці матеріали для виготовлення сопів ракет.

Композиційні матеріали на основі кераміки
  Армування керамічних матеріалів волокнами, а також металевими і керамічними дисперсними частинками дозволяє отримувати високоміцні композити, однак, асортимент волокон, придатних для армування кераміки, обмежений властивостями вихідного матеріалу. Часто використовують металеві волокна. Опір розтягування зростає незначно, але зате підвищується опір теплових ударів - матеріал менше розтріскується при нагріванні, але можливі випадки, коли міцність матеріалу падає. Це залежить від співвідношення коефіцієнтів термічного розширення матриці і наповнювача.
Армування кераміки дисперсними металевими частинками призводить до нових матеріалів (кермети) з підвищеною стійкістю, стійкістю щодо теплових ударів, з підвищеною теплопровідністю. З високотемпературних кермети роблять деталі для газових турбін, арматуру електропечей, деталі для ракетної і реактивної техніки. Тверді зносостійкі кермети використовують для виготовлення ріжучих інструментів і деталей. Крім того, кермети застосовують у спеціальних галузях техніки - це тепловиділяючі елементи атомних реакторів на основі оксиду урану, фрикційні матеріали для гальмівних пристроїв і т.д.
Керамічні композиційні матеріали отримують методами гарячого пресування (таблетування з наступним спіканням під тиском) або методом шлікерного лиття (волокна заливаються суспензією матричного матеріалу, яка після сушіння також піддається спіканню).

Висновок

Список використаної літератури
1. Енциклопедія "Кругосвет"
2. Електронні версії журналів. Хімічна наука та освіті е в Росії.