История создания композиционных материалов - Понятие и свойства полимерных композиционных материалов
Общепризнанно, что уровень развития техники в значительной степени определяется наличием необходимых материалов. Наиболее наглядно это можно проследить на примере развития древних цивилизаций, когда изобретение или создание нового прогрессивного материала становилось толчком к развитию техники и цивилизации. Недаром технический уровень развития цивилизации характеризуют видом материала, позволявшего создавать в свое время наиболее передовые орудия и средства производства. Так были каменный век, бронзовый век, железный век. Настоящее время многие ученые называют "век композиционных материалов".
Но композиционные материалы зародились не в настоящее время, человек использовал их еще в древние времена. Так, даже самые первые кирпичи и гончарные изделия, появившиеся за 5000 лет до н. э. содержали измельченные камни или армирующую солому. Древние гончары регулировали даже пористость своих изделий. Упоминание о таких материалах содержится в Библии. Бурное развитие науки в Египте в 3000 - 2500 годах до н. э. дало людям египетские лодки (речные суда из тростника, пропитанного битумом), папирус (пропитанные смолой и спрессованные листы тростника), искусство мумифицирования (первый пример ленточной намотки - тело обматывали лентами из ткани и пропитывали природными смолами с образованием жесткого кокона). За 1000 лет до н. э. ассирийцы изготавливали понтонные мосты, используя плетеные лодки (гуфасы), пропитанные водостойкими битумами. В Индии использовали точильные камни из песка и природного лака - шеллака. Вся история развития человечества связана с изобретением тех или иных композиционных материалов. В начале первого тысячелетия римляне изобрели бетон, сыгравший грандиозную роль в строительстве и развитии цивилизации. В прошлом веке были изобретены такие полимерные композиционные материалы как резина и пресс-материал на основе фенолформальдегидной смолы.
Таким образом, начало технологии композиционных материалов уходит в античные времена, но именно настоящее время называют "веком композиционных материалов". Действительно, в настоящее время доля полимерных композиционных материалов среди потребляемых материалов как никогда велика и с каждым годом растет. Так, в 1996 году Финляндия и ФРГ за год потребляли на душу населения около 100 кг полимерных композитов, в США - около 70 кг, в Японии - около 55 кг, в России - 15 кг. В странах третьего мира потребление ПКМ на душу населения не превышало 2 кг. Мировое производство пластмасс, основного составляющего ПКМ, достигает 80 млн. тонн. США производит 1/4 часть пластмасс в мире, ФРГ и Япония - по 1/8.
Рассмотрим, почему роль композиционных материалов в мире с каждым годом возрастает.
Настоящее время отличается высокими темпами научно-технического прогресса. Бурное развитие современной техники требует все новых материалов с заранее заданными свойствами. Требуются материалы со сверхвысокой прочностью, твердостью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, другими характеристиками и совместным сочетанием этих свойств. Вместе с тем, в настоящее время известны сотни тысяч различных некомпозиционных природных и искусственных материалов, которые уже не отвечают возрастающим требованиям. При этом открытие принципиально новых материалов происходит крайне редко. Это свидетельствует о том, что подавляющее большинство "простых" (некомпозиционных) материалов уже открыто, и ждать в этом направлении больших достижений не приходится. Но научно-технический прогресс не останавливается и требует новых материалов. Поэтому основное и долгосрочное направление в разработке новых материалов сейчас состоит в создании материалов путем соединения различных уже известных материалов, то есть - в получении композиционных материалов.
Аналогичная ситуация имеет место в области полимерного материаловедения - требуются полимерные материалы с новыми свойствами, но создание и освоение выпуска новых полимеров практически не происходит.
Поэтому модификация известных полимеров и комбинирование полимеров с различными веществами и между собой является сегодня одним из основных способов создания новых полимерных материалов.
Итак, основная причина столь бурного развития полимерных композиционных материалов - это то, что традиционные "чистые" полимеры в значительной степени исчерпали свои возможности, а научно-технический прогресс требует материалы с новыми свойствами.
Понятно, что с ускорением научно-технического прогресса композиционные материалы занимали и занимают все большее место среди прочих материалов.
Существует ряд преимуществ полимерных композиционных материалов над традиционными видами материалов (металлов, керамики, дерева и т. п.):
- 1) уникальное сочетание свойств, нехарактерное для других материалов (прочностных, деформационных, ударных, упругостных, температурных, реологических, адгезионных, электрических, фрикционных, теплопроводных и других); 2) возможность управления свойствами полимерных композитных материалов путем простого изменения состава и условий получения; 3) сохранение основных достоинств полимеров:
- - сравнительная легкость переработки; - низкая плотность.
Главное из преимуществ полимерных композиционных материалов по сравнению с традиционными материалами - это уникальное сочетание свойств. Как правило, композиционные материалы не являются "чемпионами" по отдельно взятому свойству. Но по сочетанию определенных свойств им нет равных. Например, резина не имеет такой прочности как металлы. Резина обладает высокой способностью к обратимой деформации, но каучук может развивать еще большую деформацию, чем резина. Однако по сочетанию прочности со способностью к многократным обратимым деформациям резины превосходят все остальные материалы. Можно привести другой пример. Стеклопластики или углепластики не самые прочные материалы в мире, и они далеко не самые легкие, но превосходят все другие материалы по сочетанию прочности и легкости, которая характеризуется отношением прочности к плотности материала и называется удельной прочностью.
Сама по себе идея получения новых материалов путем смешения известных кажется, на первый взгляд, достаточно простой и очевидной. Например, требуется материал, сочетающий в себе свойства двух других известных материалов, следовательно, надо соединить два эти материала в один и получится то, что требуется. Такая идея проста, и приходила в голову многим ученым, и ее тысячи раз пробовали осуществить. Но положительный результат получался далеко не всегда. Все оказалось не так просто, как кажется на первый взгляд. Дело в том, что смешение двух материалов не приводит к простому сложению их свойств. Свойства многокомпонентных материалов, как правило, очень сложно зависят от состава и условий их получения. Поэтому для успешного развития композиционных материалов необходимо иметь ответы на вопросы: почему свойства материала изменяются таким, а не другим образом? Какими свойствами будет обладать материал, сочетающий в себе данные вещества? Соединение каких веществ даст требуемое сочетание свойств? А для этого нужна наука о композиционных материалах. И такая наука возникла в середине ХХ века.
Передовые в техническом плане отрасли промышленности, такие как ракетостроение, авиастроение, автостроение, являются лидерами в потреблении композиционных материалов.
Несмотря на успехи в области полимерных композиционных материалов, закономерности, определяющие связь состава и условий получения композиционных материалов с их структурой и свойствами, оказались настолько сложными, что очень многие из них до сих пор не ясны. В результате, в настоящее время практические достижения в области разработки композиционных полимерных материалов значительно опережают их теоретическую интерпретацию. Но несомненно, что будущее композиционных материалов за научно обоснованным подходом. Поэтому необходимо расширение и углубление наших знаний в области полимерных композиционных материалов.
Похожие статьи
-
Здесь следует подчеркнуть, что вторичной переработке могут быть подвергнуты только ТПО из термопластичных синтетических материалов, т. е. материалов,...
-
В 1999 исследователи из Университета Вены продемонстрировали применимость корпускулярно-волнового дуализма к таким молекулам как фуллерен Гидратированный...
-
СВОЙСТВА МЕМБРАН И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МЕМБРАНЫ - Полимеры в мембранах
Эффективность или совершенство некоторой полимерной газоразделительной мембраны определяется двумя ее основными свойствами - параметрами: ее...
-
Введение - Изменение физико-химических свойств материалов путем диффузии
Медь (лат. Cuprum) - химический элемент. Один из семи металлов, известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным - медь была хорошо...
-
Наноматериалы - Получение композиционных материалов
Наноматериалы - материалы, созданные с использованием наночастиц и / или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами,...
-
Применение - Получение композиционных материалов
Очень широкая область применения связана с созданием различных покрытий на основе гибридных материалов, которые могут обладать повышенной механической...
-
Получение нанокомпозитов через аэрогели - Получение композиционных материалов
Композитные материалы получают путем объединения двух различных материалов. В общем, создание композитов используется для того, чтобы использовать...
-
Гибридные материалы - Получение композиционных материалов
Материалы, полученные за счет взаимодействия химически различных компонентов, чаще всего органических и неорганических, формирующих определенную...
-
История изучения и применения свойств мыльного пузыря Изучая информацию в интернете, я понял, что современные исследования учеников по тайнам мыльного...
-
История открытия - Свойства графена
Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решетку. Его теоретическое исследование...
-
Полимеры в машиностроении - Полимерные соединения
Ничего удивительного в том, что эта отрасль - главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров....
-
Получение. - Полимерные соединения
Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут...
-
Химические свойства меди - Изменение физико-химических свойств материалов путем диффузии
Природная медь состоит из двух стабильных нуклидов 63Cu (69,09% по массе) и 65Cu (30,91%). Конфигурация двух внешних электронных слоев нейтрального атома...
-
История открытия элемента - Золото: свойства и получение
История золота - это история цивилизации. Первые крупицы этого металла попали в руки людей несколько тысячелетий назад, и тогда же он был возведен...
-
Введение, История открытия азота - Азот, его соединение и свойства. Азот в природе
Целью данной работы является изучение и анализ химического элемента - азота. Азот - это бесцветный газ, без вкуса и запаха. Один из самых...
-
Введение - Получение композиционных материалов
Композиционный материал, композит - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей...
-
Введение, Физические и химические свойства - Понятие о микроэлементах (цинк)
Микроэлементы -- химические элементы, входящие в состав организмов в ничтожно малых количествах и необходимые для нормальной жизнедеятельности....
-
Под действием видимого, ультрафиолетового и более коротковолнового излучения фуллерены полимеризуются и в таком виде не растворяются органическими...
-
История открытия тиосульфата натрия, Строение молекулы и ее влияние на свойства - Тиосульфат натрия
Имя и время открытия тиосульфата натрия нам не известны. Во всяком случае в истории химии об этом не упоминается. Но в конце XVII и в начале XVIII века,...
-
История открытия фуллеренов - История открытия фуллеренов, их свойства
В 1985 году группа исследователей -- Роберт Керл, Харолд Крото, Ричард Смолли, Хис и О'Брайен -- исследовали масс-спектры паров графита, полученных при...
-
Свойства и важнейшие характеристики. - Полимерные соединения
Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать...
-
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН - Полимеры в мембранах
Основными материалами для изготовления плоских полимерных мембран являются: ацетаты целлюлозы, ароматические полиамиды, полисульфонамид, полиэфирсульфон,...
-
Третья проблема заключается в расширении производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза. В первой половине двадцатого века...
-
История открытия. - Синтетические каучуки, история открытия, важнейшие виды
Европа впервые узнала о каучуке в XVI веке. Христофор Колумб привез его из Америки вместе с многими другими диковинками. Во время стоянки кораблей у...
-
Особые механические свойства эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки); малая хрупкость...
-
Введение - Строение и свойства неметаллов
Все многообразие окружающей нас природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов. В различные исторические эпохи в понятие...
-
Физические свойства кремнийорганических полимеров - Кремнийорганические полимеры
Кремнийорганические полимерные жидкости не имеют запаха, сильно различаются по вязкости, температуре кипения и замерзания. Они очень термостойки и если...
-
Материалы, получаемые на основе полимеров - Полимеры и материалы на их основе
На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты). Волокна получают путем продавливания...
-
Каучук и резина, история изобретения - Применение нефти и полимеров
В результате быстрого развития промышленных отраслей в начале 20 века, появилась огромная потребность в каучуке. Но натурального каучука было слишком...
-
Основная литература - Перспективные неорганические материалы со специальными функциями
1. Абакумов А. М., Антипов Е. В., Ковба Л. М., Копнин Е. М., С. Н.Путилин, Р. В.Шпанченко. Успехи Химии, 64, 769 (1995) 2. Блейкмор Дж.. Физика тв. тела....
-
Введение - Перспективные неорганические материалы со специальными функциями
Вещество, фаза, материал. Нелинейность отклика и свойств фаз в создании "умных" материалов. Структурная иерархия материалов. Классификация дефектов,...
-
История открытия периодического закона
В книге видного советского историка химии Н. Ф.Фигуровского "Очерк общей истории химии. Развитие классической химии в XIX столетии" (М., Наука, 1979)....
-
ВВЕДЕНИЕ - Функциональные полимеры на основе крахмала и изучение их физико-химических свойств
Природный полимер крахмал имеет уникальные свойства, а его производные во многих областях применения могут конкурировать с производными целлюлозы,...
-
Фантаcтичеcки велика ценнocть нoвoгo материала для развития физичеcких иccледoваний. Фактичеcки графен oткрывает нoвую научную парадигму --...
-
История развития углеводов - Биологическое значение и строение углеводов
У самых истоков цивилизации лежит первое практическое знакомство человека с углеводами. Обработка древесины, изготовление бумаги и хлопчатобумажных и...
-
Физические свойства меди - Изменение физико-химических свойств материалов путем диффузии
Цвет меди красный, в изломе розовый, при просвечивании в тонких слоях зеленовато-голубой. Металл имеет гранецентрированную кубическую решетку с...
-
Свойство 1. Вероятность достоверного события равна единице. Действительно, если событие достоверно, то каждый элементарный исход испытания...
-
Молекулярные кристаллы фуллеренов -- полупроводники, однако в начале 1991 г. было установлено, что легирование твердого С60 небольшим количеством...
-
С кислородом большинство металлов образует оксиды - амфотерные и основные: 4Li + O2 = 2Li2O, 4Al + 3O2 = 2Al2O3. Щелочные металлы, за исключением лития,...
-
Что известно о свойствах диоксина - История открытия и распространения диоксина
Строение, физические и химические свойства. Молекула диоксина плоская и отличается высокой симметрией. Распределение электронной плотности в ней таково,...
История создания композиционных материалов - Понятие и свойства полимерных композиционных материалов