Конструктивное партнерство

01.10.201803.12.2018
Курс посвящен знакомству с композитными материалами. Слушатели курса получат общее представление о существующих материалах, применяемых в производстве и строительстве, о применении подходящих материалов для разных условий, об основах материаловедения. Слушатели изучат понятие «Композитный материал» и познакомятся с историей создания таких материалов. Подробно рассматриваются одни из самых распространенных композитных материалов – стеклопластики и углепластики.

Мотивационное обращение:

В юности я ходил в лодочный поход. Лодки тогда были сделаны из деревянных планок, плотно пригнанных друг к другу. Вернее, плотно пригнаны они были на заводе, а потом, естественно, между ними стали образовываться щели, в которые затекала вода. И пару дней перед походом все его участники занимались тем, что устраняли эти щели. Лодки вытаскивались на сушу и переворачивались (что само по себе в силу тяжести лодки было непростой задачей), щели забивались паклей или тряпками, потом красились. В общем, тяготы походной жизни после такой работы уже воспринимались как отдых. За исключением прохода через пороги, где инструктор категорически не советовал нам налететь на камень – после этого лодку пришлось бы чинить очень долго.

Лет десять спустя мне выдали на лодочной станции совсем другое судно, сделанное как бы из одного куска без всяких стыков. Спрыгнув в лодку, я очень удивился ее легкости и даже усомнился в ее надежности. Усомнился, как оказалось, совершенно напрасно. Лодка прекрасно выдержала компанию из пяти человек. Когда лодка, разогнанная до приличной скорости двумя здоровыми мужчинами, вдруг сильно ударилась днищем о камень, мы с ужасом вспомнили, что черпака на лодочной станции нам не выдали – но за несколько часов последующей водной прогулки вода оказалась в лодке исключительно благодаря брызгам от весел. Сдав лодку на станцию, я поинтересовался, из чего же она сделана, и получил ответ «Стеклопластик». Это, наверное, было первым моим сознательным знакомством с композитными материалами. В дальнейшем, помогая своему другу учиться в техническом вузе, а потом и по роду своей работы, я узнал, что мир композитных материалов окружает нас буквально повсюду, даже там, где мы об этом и не подозреваем. Приглашаю вас познакомиться с этим миром, потому что с материалами, из которых сделаны все рукотворные (и не только) предметы, приходится иметь дело каждому, а очень многие из этих материалов – композитные.


Раздел 1. Основные виды материалов, используемых для создания рукотворных объектов, и их существенные качества.

Давайте оглянемся вокруг себя и посмотрим, из чего сделано всё, что нас окружает – одежда и обувь, смартфон, мебель, посуда, здания, транспорт… Что мы увидим:

  • металл,
  • стекло,
  • пластик,
  • камень (в т.ч. искусственный – бетон, кирпич, керамика и т.д.),
  • дерево,
  • резина,
  • кожа,
  • ткань.

Может быть, вы назовете что-то еще.


А теперь давайте подумаем, исходя из каких соображений в каждом конкретном случае применяются те или иные материалы. Что мы можем придумать:

  • цена,
  • механическая прочность,
  • эластичность или жесткость,
  • электропроводность или электроизоляционные свойства,
  • несгораемость,
  • оптические свойства (прозрачность, отражательная способность),
  • легкость.

Интересующиеся техникой наверняка добавят еще:

  • стойкость к высоким и/или низким температурам,
  • стойкость к атмосферной коррозии,
  • стойкость к солнечному ультрафиолету,
  • теплопроводность,
  • легкость придания нужной формы, (резки, сверления, штамповки, литья, сварки…).

Наверняка многие из вас смогут дополнить и этот список. Например, такими экзотическими свойствами, как радиационная стойкость для оборудования атомных электростанций или стойкость к конкретным химическим веществам для установок на химических комбинатах.


Среди всех существующих материалов специалисты отдельно выделяют конструкционные материалы, из которых изготавливаются различные конструкции, детали машин, элементы сооружений, воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами таких материаловявляются механические свойства. Вкратце об этом понятии можно почитать например, по ссылке https://poznayka.org/s63318t1.html, а более подробно – например, по ссыдке http://portal.tpu.ru/SHARED/k/KOVALEVSKAYA/training_work/Tab2/part_1.pdf.


Примеры заданий для самоконтроля к разделу 1:

1.1 Попробуйте дополнить перечень видов материалов.

1.2 Назовите еще важные качества материалов.

1.3 По каким причинам не строят дома из металла?

1.4 Можно ли делать мебель из картона?

1.5 Органическое стекло (полиметилметакрилат или поликарбонат) легче обычного стекла, не бьется и легко обрабатывается. Почему его не применяют везде вместо стекла?

1.6 Где применяется бумага как конструкционный материал (кроме картонных деталей в мебели)?


Раздел 2. Понятие механической прочности. Виды механических нагрузок. Обратимая деформация, предел выносливости.

Под механической прочностью материала или изделия из этого материала понимают способность не деформироваться больше, чем допускается конструкцией (и, разумеется, не разрушаться), под воздействием механических нагрузок. Расчет механической прочности – одна из важнейших задач инженеров, конструкторов, дизайнеров и архитекторов. И что бывает, если эту задачу решают плохо, можно увидеть, например, на примере недавней катастрофы — https://news.ru/proisshestviya/most-genuya-hronika/. Инженерная дисциплина, которая занимается механической прочностью, называется «Сопротивление материалов», или «сопромат».

При любой механической нагрузке любой материал деформируется в той или иной степени, поэтому вместо термина «нагрузка» часто используют термин «деформация». Всё разнообразие механических нагрузок (деформаций) сводится к трем базовым: растяжение, сжатие и сдвиг. Иллюстрации этих понятий можно посмотреть, например, по ссылкам https://studopedia.ru/19_350437_deformatsiya-rastyazheniya.htmlили https://studfiles.net/preview/2652154/page:46/. Такая очень распространенная деформация, как деформация изгиба, на самом деле является комбинацией деформации растяжения на внешней (выпуклой) поверхности сгиба и деформации сжатия на его внутренней (вогнутой) поверхности.

Пока нагрузка не превосходит некую величину (очень грубо говоря – пока не начинают рваться межатомные связи в материале), то при прекращении (снятии) нагрузки материал полностью возвращается в свое первоначальное состояние. Если, разумеется, материал в принципе рассчитан на данную нагрузку – некоторые материалы сопротивляются только нагрузке на растяжение, но не нагрузке на сжатие, или наоборот (говорят, что материал «работает» на растяжение или сжатие). В таком случае говорят об обратимой деформации, в пределах которой работают все конструкционные материалы в готовых изделиях. Необратимые деформации тоже широко применяются, но уже для обработки материалов, например, штамповкой.

Понятие «жесткость», означает степень обратимой деформации при данной нагрузке – большая жесткость означает малую деформацию. В сопромате жесткость измеряется т.н. модулем упругости, или для растяжения/сжатия – модулем Юнга в честь ученого, который первым определил это понятие для данных деформаций. Считается, что с очень большой степенью точности величина обратимой деформации прямо пропорциональна (т.е. линейно зависима) величине нагрузки, поэтому обратимую деформацию иногда называют линейной. Если говорить еще точнее, то надо добавить, что деформация обратно пропорционально модулю упругости и площади сечения, воспринимающего нагрузку. Еще один синоним обратимой деформации – упругая деформация, т.е. такая, для которой имеет смысл понятие «модуль упругости». А предельная нагрузка, за которой деформация становится уже необратимой, называется пределом упругости. Для наших целей можно считать, что предел прочности и предел упругости – одно и то же, хотя сопромат разделяет эти два понятия.

Что происходит за пределами упругости? Ряд материалов некоторое время еще сопротивляется нагрузке, испытывая т.н. пластическую (уже необратимую) деформацию и как бы честно предупреждая заранее о близком разрушении. В таком случае говорят, что материал имеет свойство пластичности. Так ведет себя, например, незакаленная сталь. А многие материалы разрушаются сразу без предупреждения, в таком случае говорят о хрупкости материалов.

Но еще в 19-м веке поняли, что в реальной жизни материалы ведут себя не всегда так, как на испытаниях в лабораториях. Оказалось, что если материал спокойно выдерживает некую нагрузку на испытательном стенде, это совсем не означает, что он сможет выдержать эту нагрузку многократно при реальной эксплуатации. Явление это называется «усталость материала», а свойство материалов сопротивляться этой усталости – усталостной прочностью. Чуть более подробно об усталости материалов можно почитать по ссылке https://ru.wikipedia.org/wiki/Усталость_материала, в частности – о катастрофах, происшедших из-за данного явления.

Усталостная прочность характеризуется т.н. пределом выносливости, см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Предел_выносливости. Если не нагружать, например, сталь или титан выше этого предела (который ниже, чем предел упругости), то эти металлы не разрушатся вообще никогда. Но весьма печально, что для основного авиакосмического материала – алюминия и его сплавов – предел выносливости в строгом смысле равен нулю. То есть сколь угодно малая нагрузка через какое-то, пусть и очень большое, число повторений такой нагрузки приведет к разрушению. Поэтому теперь при строительстве самолетов очень тщательно учитывают усталостные явления, а также максимально снижают циклические нагрузки. В частности, в полете внутри самолета поддерживается давление несколько меньшее, чем на земле – это делается для того, чтобы минимизировать повторяющиеся «раздутия» фюзеляжа давлением воздуха изнутри на больших высотах и «сдутия» при приземлении. Именно поэтому у пассажиров при посадке закладывает уши. Но кардинальный способ решения проблемы усталости алюминиевых сплавов – переход на композитные материалы, которые такой усталости лишены в принципе.

Еще один важный фактор, кроме цикличности нагрузки – ее скорость. При медленном нарастании нагрузки пластичность материалов проявляется в большей степени, а при очень быстром, т.н. ударном нагружении, наоборот, многие материалы становятся хрупкими. Связано это с тем, успевает ли микроструктура материала перестроиться для распределения нагрузки на возможно большую площадь – кстати, по этой причине хрупкость всегда снижается с ростом температуры и наоборот. Свойство материалов сохранять пластичность при ударных нагрузках называют ударной вязкостью.

Кроме того, механические свойства материалов, оказывается, могут очень сильно зависеть от размеров. Очень тонкие нити из стекла, стекловолокно, лишено хрупкости и легко гнется, и его предел прочности на растяжение примерно в 50 раз выше предела прочности такого же стекла в массивном состоянии. Но понятно, что говорить о прочности стекловолокна на сжатие бессмысленно, а обычное стекло по этому параметру выглядит вполне нормально. Еще одним интересным примером такого рода является кевлар, из которого делают, например, бронежилеты. Этот прочнейший полимер существует исключительно в виде нитей, потому что вещество, из которого состоят нити, полимеризуется только при вытягивании из него волокон.


Примеры заданий для самоконтроля к разделу 2:

2.1 Назовите материалы, которые работают только на растяжение.

2.2 Назовите материалы, которые работают преимущественно на сжатие и гораздо хуже на растяжение.

2.3 Какой вид нагрузки испытывает материал цилиндрических пружин?

2.4 Назовите преимущества и недостатки рамы велосипеда из стали, титана и алюминиевого сплава.


Раздел 3. Понятие композитных материалов.

Существует много определений композитных материалов (иногда вместо «композитный» говорят «композиционный»). Собственно, идея композитных материалов состоит в том, чтобы каким-то образом соединить вместе материалы, хорошо дополняющие по свойствам друг друга, и получить таким образом новый материал, обладающий всеми положительными свойствами своих компонентов. Например, композит может состоять из вещества, хорошо воспринимающего нагрузку на сжатие (матрицы), и наполнителя в виде армирующих волокон, имеющих большую прочность на растяжение. Композитные материалы еще задолго до появления человека начала изготовлять сама природа – например, древесина или костная ткань. Да и в истории человечества композитным материалам гораздо больше лет, чем можно подумать. Например, всем известный композитный материал бетон изобрели уже не одну тысячу лет тому назад. Фанера была известна уже в древнем Египте, а промышленное производство этого композита началось в 19 веке, как и производство другого широко применяемого композита, резины.

Для краткого знакомства с понятием композитных материалов будет достаточно статьи из Википедии https://ru.wikipedia.org/wiki/Композиционный_материал. Но крайне рекомендуется прочитать также первую главу учебного пособия Томского политехнического университета http://portal.tpu.ru/SHARED/b/BONDLI/stud_work/p_k_m_m/Tab1/Posobie_PCM.pdf. Там дано следующее определение композитных материалов:

Для того чтобы выделить композиционные материалы (КМ) искусственного происхождения, подчеркнуть их характерные особенности наиболее полным считается определение, согласно которому: к композитам относятся материалы, обладающие рядом признаков: 1. состав, форма и распределение компонентов материала «запроектированы заранее»; 2. материал не встречается в природе, а создан человеком; 3. материал состоит из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных выраженной границей; 4. свойства материала определяются каждым из его компонентов, которые должны присутствовать в материале в достаточно больших количествах (больше некоторого критического содержания); 5. материал обладает такими свойствами, которых не имеют его компоненты, взятые в отдельности; 6. материал неоднороден в микромасштабе и однороден в макромасштабе.


Примеры заданий для самоконтроля к разделу 3:

3.1 Можно ли считать металлопластиковую водопроводную трубу сделанной из композитного материала? А шланг для душа, состоящий из резиновой трубки и металлической оплетки?

3.2 Назовите еще пример природного композита.

3.3 Какое самое востребованное качество композитов?

3.4 Как на примере дерева видно одно из качеств многих композитов – зависимость прочности от направления приложения нагрузки?

3.5 Попробуйте сломать руками тонкую деревянную дощечку и кусок фанеры такой же толщины. Что прочнее?

3.6 Почему бетон прочнее своих составных частей – цемента, песка и щебня? А в чем преимущества железобетона?

3.7 Что в резине является матрицей, а что – армирующим наполнителем?

3.8 Можно ли сказать, что в фанере является матрицей, а что армирующим наполнителем?


Раздел 4. Стеклопластики и углепластики.

Углепластики и стеклопластики являются классическим примером композитных материалов с четко выраженными компонентами – полимерной матрицей и наполнителем из высокопрочных армирующих волокон, соответственно углеродных или стеклянных. Хотя углепластики и стеклопластики не так широко распространены, как, например, бетон и резина, но именно про них обычно вспоминают в первую очередь, услышав слово «композиты». И дело не только в выдающихся характеристиках данных материалов. Огромным их преимуществом является то, что технология изготовления этих материалов, как правило, неотделима от технологии изготовления готового изделия. То есть полученный «кусок» композита и есть собственно готовая часть, например, самолета, не нуждающаяся в дальнейшей резке, гибке, сварке и т.п., которую остается лишь соединить с другими частями. Более того, при изготовлении детали самолета таким образом конструктор может заранее сориентировать армирующие волокна так, чтобы их расположение максимально соответствовало распределению деформирующих нагрузок на эту деталь. Нет нужды говорить, насколько такая возможность полезна для надежности и уменьшения веса конструкции самолета.

С производством и применением углепластиков рекомендуется ознакомиться, просмотрев познавательные ролики:

Технология изготовления изделий из стеклопластика принципиально не отличается от технологии работы с углепластиком. Исторически первым появился стеклопластик, и технологии работы с углепластиком были во многом заимствованы от стеклопластика. Но между этими двумя материалами есть и существенные различия.

Углеродные волокна обладают примерно таким же пределом прочности на разрыв, как стеклянные (даже немного меньшим), но гораздо меньше растягиваются при натяжении, имея в несколько раз больший модуль упругости, поэтому изделия из углепластика более жесткие. Более того, поскольку модуль упругости стекловолокна не сильно отличается от модуля упругости полимерной матрицы, в стеклопластике растягивающая нагрузка распределяется между стекловолокнами и связующим полимером, что может привести к растрескиванию полимера. А в углепластике практически всю растягивающую нагрузку берет на себя углеродное волокно, что существенно повышает предел прочности изделия. Еще одно достоинство углеродного волокна по сравнению со стеклянным – легкость.

Недостаток углеродного волокна – низкая ударная вязкость, а также ломкость при сильном изгибе, что может вызывать повреждения углепластика при точечных ударах (свойство, знакомое владельцам велосипедов с карбоновыми рамами). Впрочем, этот недостаток можно преодолевать, комбинируя углеродные волокна с другими, в т.ч стеклянными. Еще один недостаток углеродного волокна – высокая цена по сравнению со стекловолокном.


Примеры заданий для самоконтроля к разделу 4:

4.1 Какие свойства исходных компонентов стеклопластиков и углепластиков дополняют друг друга в готовых изделиях?

4.2 Назовите еще достоинства стекло- и углепластиков, кроме прочности.

4.3 Назовите массовые товары, в которых применяется стеклопластик.

4.4 Достоинством композитного фюзеляжа самолета является отсутствие усталостных разрушений при допустимых нагрузках. Это позволяет, например, сохранять нормальное давление в салоне при полете – поэтому обещают, что в таких самолетах у пассажиров при посадке не будут закладывать уши. А какой очень существенный недостаток у фюзеляжа не из металла?

Задание

Кейс к курсу:

Подумайте, какие из известных вам вещей или их деталей стоит делать из стеклопластика или углепластика. Постарайтесь обосновать свое мнение с точки зрения механических свойств, других потребительских качеств, стоимости.

Решение кейса представить в виде:

  • проекта (текст в форматах MS Word или Pdf);
  • презентации;

с обоснованием и расчетами.