Гибридные композитные материалы реферат
Обновлено: 04.05.2024
В течение последнего десятилетия в терапевтической сто¬матологии для выполнения реставрации зубов широко при¬меняются композиционные материалы светового отвержде-ния. Они практически полностью вытеснили силикофосфатные цементы, амальгамы и композиты химического отверждения, особенно при оказании пациентам платной стоматологической помощи.
Прикрепленные файлы: 1 файл
композитные материалы.docx
В течение последнего десятилетия в терапевтической стоматологии для выполнения реставрации зубов широко применяются композиционные материалы светового отверждения. Они практически полностью вытеснили силикофосфатные цементы, амальгамы и композиты химического отверждения, особенно при оказании пациентам платной стоматологической помощи.
Согласно международному стандарту (ISO) основными признаками композитов являются:
1. Наличие полимерной матрицы, как правило, на основе сополимеров акриловых и эпоксидных смол.
2. Наличие неорганического наполнителя более 50% по массе.
3. Обработка частиц наполнителя специальными поверхностно- активными веществами, благодаря которым он вступает в химическую связь с полимерной матрицей (Николаев А.И., Цепов Л.М., 2007).
Современная классификация композитных пломбировочных материалов: А. Размер частиц наполнителя:
1. Макронаполненные (размер частиц 8—45 мкм).
2. Микронаполненные (размер частиц 0,04—0,4 мкм).
3. Композиты с малыми частицами (мининаполненные, размер частиц 1—5 мкм).
4. Гибридные (смесь частиц различного размера — от 0,04 до 5 мкм).
5. Микрогибридные (гибридные композиты с размером частиц от 0,04 до 1 мкм, средний размер частиц 0,5— 0,6 мкм).
6. Нанонаполненные — нанокомпозиты, созданные с использованием нанотехнологий.
Б. Способ отверждения:
1. Химического отверждения.
2. Светового отверждения.
1. Традиционные композиты обычной консистенции.
2. Жидкие (текучие) композиты.
3. Конденсируемые композиты.
1. Для пломбирования жевательных зубов.
2. Для пломбирования передних зубов.
3. Универсальные композиты.
Важным моментом для врача-стоматолога является понимание связи между размерами частиц наполнителя и свойствами композитного материала.
Практикующий врач, выбирая материалы для реставрации зубов, руководствуется несколькими критериями: эстетичностью, долгосрочной гарантией лечения, комфортом в работе (простота подбора оттенков, удобные манипуляционные характеристики) и, несомненно, соотношением цена/качество.
Большинство стоматологов считает, что эта реставрационная система принципиально отличается от всех композитов. Однако это ошибочное мнение. ORMOCER-материалы являются композитами с усовершенствованной матрицей. Как известно, композит состоит из полимерной матрицы (смолы) и наполнителя. Однако если у обычного композита имеется полимерная органическая матрица, которая в процессе полимеризации дает усадку, то в ормокер-материале матрица является неорганически-органической. Ее основу составляет неорганический каркас на основе оксида кремния. Такая модификация смолы приводит к тому, что после полимеризации остаточный мономер практически весь удерживается на боковых цепочках, а не находится в свободном состоянии, как у обычных композитов. Это обеспечивает следующие преимущества материалов (Firda М., 2004):
2. Именно благодаря высокому содержанию наполнителя и присутствию двуокиси кремния в матрице, удалось снизить полимеризационную усадку на 50% по сравнению с таковой традиционных композитов.
3. Коэффициент теплового расширения значительно ниже, чем у существующих до сих пор материалов, и, соответственно, ближе к натуральной твердой субстанции зуба. Другим путем создания новых композиционных материалов является усовершенствование неорганического наполнителя. Современная стоматология является высокотехнологичной отраслью медицины, передовой по внедрению новых материалов, технологий и методов лечения. В последние годы началось широкое использование нанотехнологий в производстве композитов. Это позволило создать материалы, которые наилучшим образом соответствуют сегодняшним запросам практикующих врачей: новые композиты выдерживают механические нагрузки, действующие на реставрации, как во фронтальном, так и в боковом участках зубного ряда, т.е. обладают прочностными характеристиками микрогибридных композитов. По качеству же полирования нанонаполненные композиты приравнивают к микрофилам.
В некоторых нанокомпозитах используются нанокластеры. Однако, по мнению ряда исследователей, нанокластеры, на которые ранее возлагалось много надежд, оказались слабым звеном в современных композитах. Они приводили к снижению прочностных характеристик материалов, низкой цветостабильности, увеличению липкости. Поэтому другие фирмы-производители к частицам микрогибридного композита добавили нанонаполнитель.
В большинстве случаев предупредить возникновение послеоперационной чувствительности гораздо проще, чем ее лечить.
Связывание композита с твердыми тканями зуба происходит за счет микромеханической ретенции через промежуточный слой (адгезив) между дентином/эмалью и композитом. Установлено, что реакция зуба на температурные и химические раздражители возникает в результате перемещения жидкости в дентинных канальцах. Закупоривание открытых дентинных канальцев в результате препарирования будет препятствовать движению жидкости и, таким образом, не допускать возникновения чувствительности зуба. Очевидно, что если дентин не имеет здоровой структуры в случае его неполного удаления, то процесс бондинга не будет адекватным (Иоффе Е., 1999).
Данная проблема является многосторонней и имеет ряд причин:
3. Нанесение адгезива. Адгезивные системы 4-го, 5-го и 6-го поколений обладают способностью хорошо проникать в дентинные канальцы и образовывать гибридный слой — кислотоустойчивый и непреодолимый для бактерий слой полимера на поверхности дентина с проникающими в дентинные канальцы отростками. Естественно, что отсутствие гибридного слоя на каком-либо участке дентина приведет к развитию послеоперационной чувствительности.
Поэтому важно соблюдать время, в течение которого адгезив втирается в дентин и затем подсушивается до проведения его фотополимеризации. Необходимо также проконтролировать отсутствие загрязнения поверхности твердых тканей зуба слюной и кровью после протравливания.
В том случае, если полость все же оказалась пересушенной, оптимальную пространственную структуру спавшихся коллагеновых волокон можно до некоторой степени восстановить за счет повторного увлажнения полости с использованием воды, гидроксилэтилметакрилата (НЕМА) или любого другого низкомолекулярного мономера, которые входят в состав большинства современных адгезивных систем (Haller В., Blunck U., 2004). При производстве современных адгезивных систем используются различные растворители: вода, спирт, ацетон.
Материалы на водной основе обладают способностью увлажнять пересушенные коллагеновые волокна. Однако праймер должен вытеснить воду еще и из дентина. Для этого необходимо затратить значительные усилия и рабочее время. Кроме того, нужно, чтобы испарилась вода из самого праймера после нанесения его на поверхность. Обилие вредной для гидрофобного адгезива воды является слабым местом систем на основе водного растворителя (Николаев А.И., ЦеповЛ.М., СаловаА.В., 2004).
С учетом этого некоторые системы были изготовлены на основе ацетона. Ацетон обладает высокой летучестью и способностью значительно повышать летучесть воды за счет изменения величины ее поверхностного натяжения. Ацетон — очень гидрофильное вещество. Недостатком систем на основе ацетона является большая чувствительность к сухому деминерализованному дентину. Для проникновения в глубокие части коллагеновой структуры ацетону необходима вода. На сухом дентине такие системы работают не очень хорошо (Николаев А.И., Цепов Л.М., Салова А.В., 2004).
Золотая середина принадлежит системам, изготовленным на основе водно-спиртовой смеси. Они обладают способностью к дополнительному увлажнению пересушенного дентина за счет наличия воды, а в случае ее избытка — способствовать испарению воды благодаря наличию спирта. Поэтому все больше и больше систем основаны на водном растворе спирта (Блунк У., 2003). Тем не менее, при использовании систем данного типа с высоким содержанием спирта необходимо обращать особое внимание на степень увлажненности поверхности дентина после окончательного его травления (Николаев А.И., ЦеповЛ.М., СаловаА.В., 2004).
4. Бактериальная загрязненность. Загрязнение поверхности дентина приводит к раздражающему действию бактерий и препятствует образованию полноценного гибридного слоя. В связи с этим обязательно нужно контролировать отсутствие слюны и крови на поверхности дентина, особенно в придесневой области. Это достигается путем изоляции рабочего поля различными современными средствами и методами.
Дальнейшее совершенствование микронаполненных композитов привело к тому, что в их состав были включены частицы наполнителя большого, малого и сверхмалого размеров. Такие композиты получили название гибридов (рис. 10.46).
Введение в состав микронаполненного композита частиц большого размера - 8 - 12 мкм получило название макрогибридных композитов, малого размера - 1 - 5 мкм - микрогибридных композитов, одновременно большого и малого размера - тотально выполненных композитов и сверхмалого размера - до 0,0004 мкм - наногибридных композитов.
Введение в материал частиц большого и малого размера повышает его прочность, абразивную устойчивость, приближает его коэффициент термического расширения к значению этого коэффициента твердых тканей зуба, улучшает краевое прилегание. Введение частиц сверхмалого размера улучшает эстетические свойства, полируемость, уменьшает полимеризационную усадку и др.
Свойства макрогибридных композитов
Положительные свойства:
• приемлемые эстетические свойства;
• лучшее качество поверхности пломбы, чем у макронаполненных,
Отрицательные свойства:
• неидеальное качество поверхности пломбы (хуже, чем у микрофилов).
Макрогибридные композиты, благодаря сочетанию микрочастиц менее 1 мкм и макрочастиц 8 - 12 мкм, обладают положительными и сохраняют отрицательные свойства макронаполненных композитов (изменение цвета, несовершенное полирование, истирание зубов - антагонистов). Представителями макрогибридных композитов являются: Evicrol Molar (Spofa Dental), Prismafil (Стомадент/Dentsply),
Свойства микрогибридных композитов Положительные свойства
: • хорошие эстетические качества;
• хорошие физико-механические свойства;
• хорошее качество поверхности пломбы;
• высокая цветостойкость. Отрицательные свойства:
• неидеальное качество поверхности (хуже, чем у микронаполненных);
• недостаточная прочность и пространственная стабильность;
• высокая полимеризационная усадка (от 3 % до 5 %);
• сложность клинического применения (послойное внесение материала, направленная полимеризация).
Показания к применению микрогибридных композитов:
• пломбирование полостей всех пяти классов;
• изготовление вестибулярных эстетических адгезивных облицовок (виниров);
• починка сколов фарфоровых коронок.
Представители: Tetric (Vivadent), Te Econom (Vivadent), Herculite XRV (Kerr), Prodigy (Kerr), Valux Plus (3M), Prisma TPH (Dentsply), Degufil Metra (Degussa), Унирест (Стомадент).
Представляют собой смесь обычных крупных частиц и микрочастиц. Композиты, в состав которых входят макрочастицы более 5 мкм, по свойствам сходны с макрофилами: шероховатость, изменение в цвете, стираемость пломбы и антагониста.
Гибридные антагонисты, в состав которых входят частицы размером не более 1-2 мкм, относятся к мелкодисперсным композитам. Они отличаются высокими физико-химическими и оптическими свойствами, незначительной стираемостью пломбы и антагониста. Особенностью данной группы является универсальность применения в области фронтальных и боковых зубов.
Как правило, современные мелкодисперсные композиты применяются в сочетании с системой эмалево-дентинных адгезивов, улучшающих сцепление пломбировочного материала и тканей зуба.
Гибридные композиты занимают промежуточное положение между обычными композитами с их высокой стираемостью и микрофилами, резистентными к истираемости. Истираемость гибридов, по сравнению с амальгамой, меньше.
Представителями данной группы являются:
Brilliant Brilliant L.C.
Charisma Herculite XRV
Pekafill RLT Pertac Hybrid
Prisma AP.H Prisma TP.H
Адгезия композитов.
Бонд – связь, от англ. bond.
Современные методы реставрации зубов композиционными материалами непосредственно связаны с достижениями адгезивных методов фиксации композитов. Известно, что полимеризация композитов сопровождается усадкой от 2 до 5 % по объему. В связи с этим нарушается краевое прилегание композитов, особенно к дентину, что приводит к образованию краевой щели, окрашиванию краев пломбы, повышенной чувствительности, возникновению вторичного кариеса и воспалению пульпы.
С целью улучшения сцепления материала с тканями зуба применяются адгезивы и бонды, улучшающие сцепление композита с эмалью и дентином, понижающие краевую проницаемость.
Диакрилаты входящие в состав композитов, обладают высокой адгезией к эмали, однако, по отношению к дентину они ведут себя как гидрофобные вещества, плохо прилегающие к его поверхности.
Механизм сцепления композитов с эмалью.
Эмаль, главным образом, состоит из неорганического вещества – 86 % по объему – и незначительного количества органического вещества и воды (соответственно 2 и 12% по объему). Благодаря такому составу эмаль можно высушить, поэтому гидрофобный органический компонент композита (органическая матрица) обладает хорошей адгезией к эмали.
Для увеличения активной поверхности сцепления эмали и композита адгезивная техника пломбирования предусматривает:
формирование скоса эмали по 45 о и более;
протравливание эмали кислотой.
Используется 30-40 % жидкость или гель, причем гель предпочтительнее, так как в отличие от жидкости хорошо виден и не растекается. В зависимости от резистентности эмали, определяемой специальными тестами, время аппликации кислоты различное: от 15 секунд при низкой до 60 секунд при высокой. Время травления депульпированных зубов от 60 до 120 секунд.
В результате травления:
а) удаляется органический налет с эмали, денатурируется белок;
б) формируется микрошероховатость эмали за счет растворения эмалевых призм на глубину примерно 40 мкм. В микропространство проникают гидрофобные молекулы бонда, а после полимеризации формируются отростки, улучшающие ретенцию композита. Адгезивная прочность композита к непротравленной эмали составляет лишь 25 % от прочности композита к протравленной поверхности;
в) снижается краевая проницаемость на границе эмаль-композит.
Таким образом, скашивание эмали, травление увеличивают активную поверхность сцепления эмали и композита и улучшают возможность обволакивания поверхностного слоя эмали вязкими гидрофобными эмалевыми адгезивами.
применение эмалевых бондов (адгезивы) – третий компонент адгезивной техники пломбирования. В качестве эмалевых адгезивов (бондов) используются ненаполненные (без неорганического наполнителя) смеси диакрилатов, входящих в состав протравленной поверхности и эмали. После полимеризации в межпризменных участках эмали они формируют отростки, сцепляющие механически с эмалью и химически с органической матрицей композита, способствуя микроретенции эмали и композита.
Введение
Уже сейчас имеется обилие фирменных названий отделочных, изоляционных и других материалов, которые в принципе отличаются только составом и технологией. Этот поток новых материалов будет увеличиваться, а их эксплуатационные свойства совершенствоваться с учетом суровых климатических условий и экономии энергетических ресурсов России.
1. Общие сведения о композиционных материалах
Композициомнный материамл - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.
Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.
В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.
Преимущества композиционных материалов:
высокая удельная прочность
высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 ГПа)
высокая износостойкость
высокая усталостная прочность
из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции
Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.
Недостатки композиционных материалов
Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:
высокая стоимость
анизотропия свойств
повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны
2. Состав и строение композита
Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.
По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне - и хим. стойкость.
По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты.
Наибольшее применение в строительстве и технике получили композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальд., полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), орг. (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлич. композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;
Композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидокремниевыми и др. жаростойкими волокнами и SiC. При использовании углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон, содержащихся в материале в кол-ве 50-70%, созданы композиции (см. табл) с уд. прочностью и модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и др. свойствам. Так, армирование сплавов Аl волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить т-ру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500 °С. Армирование проволокой (из W и Мо) и волокнами тугоплавких соединений используют при создании жаропрочных композиционных материалов на основе Ni, Cr, Co, Ti и их сплавов. Так, жаропрочные сплавы Ni, армированные волокнами, могут работать при 1300-1350 °С. При изготовлении металлических волокнистых композиционных материалов нанесение металлической матрицы на наполнитель осуществляют в основном из расплава материала матрицы, электрохимическим осаждением или напылением. Формование изделий проводят гл. обр. методом пропитки каркаса из армирующих волокон расплавом металла под давлением до 10 МПа или соединением фольги (матричного материала) с армирующими волокнами с применением прокатки, прессования, экструзии при нагр. до т-ры плавления материала матрицы.
Один из общих технологических методов изготовления полимерных и металлич. волокнистых и слоистых композиционные материалы - выращивание кристаллов наполнителя в матрице непосредственно в процессе изготовления деталей. Такой метод применяют, напр., при создании эвтектич. жаропрочных сплавов на основе Ni и Со. Легирование расплавов карбидными и интерметаллич. соед., образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить т-ру их эксплуатации на 60-80 oС. композиционные материалы на основе углерода сочетают низкую плотность с высокой теплопроводностью, хим. стойкостью, постоянством размеров при резких перепадах т-р, а также с возрастанием прочности и модуля упругости при нагреве до 2000 °С в инертной среде. О методах получения углерод-углеродных композиционные материалы см. Углепластики. Высокопрочные композиционные материалы на основе керамики получают при армировании волокнистыми наполнителями, а также металлич. и керамич. дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами SiC позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся повыш. вязкостью, прочностью на изгиб и высокой стойкостью к окислению при высоких т-рах. Однако армирование керамики волокнами не всегда приводит к значит. повышению ее прочностных св-в из-за отсутствия эластичного состояния материала при высоком значении его модуля упругости. Армирование дисперсными металлич. частицами позволяет создать керамико-металлич. материалы (керметы), обладающие повыш. прочностью, теплопроводностью, стойкостью к тепловым ударам. При изготовлении керамич. композиционные материалы обычно применяют горячее прессование, прессование с послед. спеканием, шликерное литье (см. также Керамика). Армирование материалов дисперсными металлич. частицами приводит к резкому повышению прочности вследствие создания барьеров на пути движения дислокаций. Такое армирование гл. обр. применяют при создании жаропрочных хромоникелевых сплавов. Материалы получают введением тонкодисперсных частиц в расплавленный металл с послед. обычной переработкой слитков в изделия. Введение, напр., ТhO2 или ZrO2 в сплав позволяет получать дисперсноупрочненные жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой при 1100-1200 °С (предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов в тех же условиях - 1000-1050 °С). Перспективное направление создания высокопрочных композиционные материалы-армирование материалов нитевидными кристаллами ("усами"), к-рые вследствие малого диаметра практически лишены дефектов, имеющихся в более крупных кристаллах, и обладают высокой прочностью. наиб. практич. интерес представляют кристаллы Аl2О3, BeO, SiC, B4C, Si3N4, AlN и графита диаметром 1-30 мкм и длиной 0,3-15 мм. Используют такие наполнители в виде ориентированной пряжи или изотропных слоистых материалов наподобие бумаги, картона, войлока. композиционные материалы на основе эпоксидной матрицы и нитевидных кристаллов ThO2 (30% по массе) имеют ?раст 0,6 ГПа, модуль упругости 70 ГПа. Введение в композицию нитевидных кристаллов может придавать ей необычные сочетания электрич. и магн. св-в. Выбор и назначение композиционные материалы во многом определяются условиями нагружения и т-рой эксплуатации детали или конструкции, технол. возможностями. наиб. доступны и освоены полимерные композиционные материалы Большая номенклатура матриц в виде термореактивных и термопластич. полимеров обеспечивает широкий выбор композиционные материалы для работы в диапазоне от отрицат. т-р до 100-200°С - для органопластиков, до 300-400 °С - для стекло-, угле - и боропластиков. Полимерные композиционные материалы с полиэфирной и эпоксидной матрицей работают до 120-200°, с феноло-формальдегидной - до 200-300 °С, полиимидной и кремнийорг. - до 250-400°С. Металлич. композиционные материалы на основе Аl, Mg и их сплавов, армированные волокнами из В, С, SiC, применяют до 400-500°С; композиционные материалы на основе сплавов Ni и Со работают при т-ре до 1100-1200 °С, на основе тугоплавких металлов и соед. - до 1500-1700°С, на оснбве углерода и керамики - до 1700-2000 °С. Использование композитов в качестве конструкц., теплозащитных, антифрикц., радио - и электротехн. и др. материалов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурсы и мощности машин и агрегатов, создать принципиально новые узлы, детали и конструкции. Все виды композиционные материалы применяют в хим., текстильной, горнорудной, металлургич. пром-сти, машиностроении, на транспорте, для изготовления спортивного снаряжения и др.
3. Оценка матрицы и упрочнителя в формировании свойств композита
3.1. Композиционные материалы с металлической матрицей
Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.
3.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.
4. Строительные материалы - композиты
Строительство Строительство - это размытый термин, который включает в себя самые разные механические нагрузки, начиная с легких нагрузок, которым подвергаются щиты, корпуса, гнезда для защиты оборудования или звуконепроницаемых стен, и заканчивая сверхвысоким давлением, которое выдерживают опоры для мостов.
Для поиска решений, применимых в этих несхожих ситуациях, в гражданском строительстве применяются очищенные пластмассы или композиты:
- Обычно применяемые в легких строительных конструкциях.
- Периодически используемые в специализированных (нишевых) конструкциях - Предназначенные исключительно для крупных строительных конструкций, например, мостов.
На рисунке 1 изображено несколько примеров.
Рисунок 1: Строительные конструкции в гражданском строительстве.
В гражданском строительстве используются традиционные материалы, например бетон и сталь, для которых характерна низкая стоимость компонентов, но высокая стоимость обработки и установки, а также низкие возможности обработки. Результатом внедрения пластмасс может стать следующее:
- Повышение производительности.
- Снижение веса.
- Увеличение возможностей при проектировании в сравнении с деревом и металлами.
- Устойчивость к коррозии.
- Простота обработки и установки.
- Определенные полимеры могут пропускать свет и даже быть прозрачными.
- Простота технического обслуживания.
- Изоляционные свойства.
С другой стороны, следует помнить о старении и механическом сопротивлении. Тем не менее, некоторые проекты, построенные в середине 1950х годов с использованием полиэстера, укрепленного стекловолокном, демонстрируют значительную долговечность.
Отрасль гражданского строительства относится к консервативным, и перед расширением использования пластмасс и композитов стоят такие барьеры, как:
- Сложность перенесения опыта, накопленного в других отраслях промышленности.
- Сложность выбора и оценки размеров этих материалов.
- Сложность взаимопонимания между представителями различных профессий, обладающими очень разными менталитетами.
- Мнение о пластмассах, сложившееся в обществе.
- Жесткие окружающие условия на месте строительства.
- Сложные условия применения, которые не совсем совпадают с практикой и квалификацией строителей.
Прогрессивный ответ пластмасс возрастающим требованиям строительства: от очищенных термопластов к ориентированным композитам с углеродными волокнами Композиты представляют особый интерес для строительной отрасли, так как им присущи высокие коэффициенты [производительность/вес/конечная стоимость].
Более того, возможность задания направления в композитном укреплении расширяет возможности при проектировании в сравнении со сталью.
В таблице 1 сравнивают несколько случаев, но также существуют и другие промежуточные решения.
Таблица 1: Примеры свойств от очищенных термопластов к однонаправленным композитам
Читайте также: