2московский ордена
Сравнительная характеристика различных видов волокон
жүктеу/скачать 3,84 Mb. Pdf көрінісі
|
Композиционные материалы в строительстве уч.пособ
| Сравнительная характеристика различных видов волокон
Свойства Вид волокон углеродные стеклянные базальтовые Плотность, ×10 −3 кг/м 3 1,5–1,8 2,5 2,75 Предел прочности при растяжении, ГПа 1,5–3,5 3–4,6 1,8–2,8 Модуль упругости при растяжении, ГПа 150-600 70–85 95–100 Термический коэффициент линейного расширения, град −1 –1,5 × 10 −6 5,6 × 10 −6 4,5 × 10 −6 Теплостойкость, ℃ 700–2000 500 600 Углеродные волокна обладают комплексом ценных механических и химико-физических свойств, поэтому проявили себя как наиболее подходящие для применения в строительстве. Они обладают высокой тепло- и атмосферостойкостью, устойчивостью к действию света и прони- кающей радиации, химической стойкостью ко многим реагентам (концентрированные кислоты и щелочи, практически все растворители). На них воздействуют лишь сильные окислители при нагревании. Углеродные волокна биостойки и биоинертны, жаростойки и трудногорючи. Они мало гигроскопичны, но благодаря развитой поверхности адсорбируют водяные пары (до влаж- ности порядка 0,2–2 %), не меняя при этом своих физико-механических свойств. Углеродные волокна имеют различные электрофизические свойства (от полупроводни- ков до проводников) и, хотя сами не подвержены коррозии, могут вызывать электрохимиче- скую коррозию при контакте со сталью. Углеродные волокна выдерживают высокие циклические нагрузки, не подвержено пол- зучести или коррозии под напряжением, а релаксация напряжений и коэффициент термиче- ского расширения у него меньше, чем у стальных канатов, применяемых для предваритель- ного напряжения бетона. В зависимости от технологии производства и исходного материала углеродные волокна можно условно разделить на две группы: высокомодульные и высокопрочные. Существуют также волокна, в которых сочетаются высокая прочность и высокий модуль упругости. Од- ним из недостатков углеродных волокон является их невысокая относительная деформация при разрыве. Углеродные композиты имеют самую высокую стоимость из рассматриваемых типов. Существует множество разновидностей волокон из стекла, из них в строительстве в ос- новном применяются три типа: Е, S и AR. Стеклопластик обладает высокой прочностью, низкой теплопроводностью, устойчивостью к агрессивным средам и резким перепадам температур, био-, влаго- и атмосферостойкостью. Стеклопластик трудногорюч и при пожаре не выделяет ядовитых газов. Кроме того, по срав- нению с углепластиком он имеет хорошие электроизоляционные свойства. К недостаткам стеклопластика следует отнести подверженность коррозии под напряже- нием, релаксации напряжений, а также чувствительность к влажности и щелочам. Это отно- сится к алюмоборосиликатному стекловолокну, поэтому при изготовлении ПКМ с примене- нием этого волокна к полимерному связующему предъявляют повышенные требования по химической защите волокна от воздействия агрессивных сред. Этим требованиям наи- лучшим образом отвечает эпоксифенольное полимерное связующее. 78 Наиболее дешевым является стекловолокна типа E, что делает его наиболее применяе- мым. Стекловолокно типа S обладает более высокой прочностью и модулем упругости по сравнению с другим типом. Кроме того, к настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом, разработаны щелочестойкие (AR) стекловолокна с применением циркония. Арамид — сокращенное название ароматического полиамида. Высокопрочные и высоко- модульные арамидные волокна обладают уникальным комплексом свойств: высокой прочно- стью при растяжении и модулем упругости, хорошими усталостными и диэлектрическими свойствами, незначительной ползучестью. Благодаря низкой плотности арамидные волокна по удельной прочности превосходят все известные в настоящее время армирующие волокна и металлические сплавы. Арамидные волокна отличаются хорошей способностью к текстильной переработке: так, сохранение прочности после ткачества составляет 90 % исходной прочности нитей, что дает возможность применять их в качестве тканых армирующих материалов. Арамидные волокна являются наиболее термостойкими из всех рассмотренных, однако они чувствительны к влажности и ультрафиолетовому излучению, а также подвержены ре- лаксации и коррозии под напряжением. Из-за этого арамид сравнительно редко применяются в строительстве — в основном для защиты колонн от ударной и взрывной нагрузки. Альтернативными материалами, близкими по объему производства и стоимости к стек- лянным волокнам, являются базальтовые. Как видно из табл. 7.2, по своим физико-меха- ническим характеристикам базальтовые волокна близки к стеклянным. В то же время при сравнении их химического состава с наиболее распространенными алюмоборосиликатными волокнами наблюдается присутствие значительного количества (более половины) оксидов металлов, что делает их более хемо- и термостойкими. Базальтовые волокна в качестве армирующего наполнителя используют в виде коротких ультратонких волокон (диаметром d = 0,4 мкм), коротких тонких (d = 3– 4 мкм) и длинно- мерных (d = 9–12 мкм) волокон, крученых нитей, лент, тканей различного переплетения. Базальт относится к числу аморфных неорганических полимеров с различным составом звеньев в полимере. В зависимости от места нахождения базальта его состав изменяется в узких пределах и соответственно не столь резко изменяются и его свойства. Оксиды желе- за, присутствующие в структуре волокон базальта, придают им бурую окраску. Базальтовые волокна формуют из расплава по технологии, близкой к производству стек- лянных волокон из природного сырья вулканического происхождения. Колебания в парамет- рах свойств волокон определяются условиями формования (длительностью, степенью гомо- генизации расплава, температурой вытяжки) и диаметром волокон. Базальтовое волокно производят из различных горных пород близких по химическому составу — базальта, базанитов, амфиболитов, габро- диабазов или их смесей. Производство базальтовых волокон основано на получении расплава базальта в плавильных печах и его свободном вытекании через специальные устройства. Температура плавления — 1450 °С. Ба- зальтовое волокно имеет лучшие физико-механические свойства, чем у стекловолокна и су- щественно дешевле, чем углеродное волокно. Главные преимущества — огнестойкость и те- пло и звукоизолирующая способность, стойкость к химическому воздействию: базальтовые волокна обладают хорошей стойкостью к действию органических веществ (масел, раствори- телей и др.) , а также к воздействию щелочей и кислот. Роль полимерной матрицы в ПКМ заключается в придании изделию необходимой формы и создании монолитного материала. Матрица объединяет в одно целое многочисленные во- локна и позволяет композиции воспринимать различного рода внешние нагрузки: растяже- ние (как в направлении армирования, так и перпендикулярно ему), сжатие, изгиб, сдвиг. В то же время матрица принимает участие в создании несущей способности композиции, обеспечивая передачу усилий на волокна. За счет пластичной матрицы осуществляется пере- дача усилий от разрушенных или дискретных (коротких) волокон соседним волокнам и умень- шение концентрации напряжений вблизи различного рода дефектов. Матрица служит и за- щитным покрытием, предохраняющим волокна от механических повреждений и окисления, поэтому должна выдерживать большие деформации, чем волокна. От полимерной матрицы зависят тепло- влагостойкость, стойкость к действию агрессивных сред, прочностные, ди- 79 электрические и другие свойства композитной арматуры. Поэтому полимерную матрицу для композитов выбирают исходя из условий эксплуатации изделия. В целом, чем меньше смолы в композите (при условии его полной пропитки), тем проч- нее готовое изделие и тем меньше его масса. В качестве матрицы для волокнистых полимерных композиционных материалов, приме- няемых в строительстве, в настоящее время наиболее часто применяются полиэфирные и эпоксидные смолы, относящиеся к так называемым термореактивным смолам. Эти смолы обладают высокими упруго-прочностными характеристиками, хорошей технологичностью и термостойкостью. Их недостатком является низкая вязкость разрушения, определяемая ма- лой долей пластических деформаций. Основные свойства применяемых при изготовлении композитной арматуры смол представлены в табл. 7.3. Таблица 7.3 жүктеу/скачать 3,84 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|