Номер 5, страница 321 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Молекулярная физика. 12. Твёрдое тело. Параграф 68. Структура твёрдых тел - номер 5, страница 321.

Условие.

5. Охарактеризуйте структуру композитов.

Решение.

Структура композиционных материалов (композитов) является гетерогенной, то есть состоит из нескольких различных компонентов (фаз), которые не растворяются и не смешиваются друг с другом, сохраняя свои индивидуальные свойства. Основная цель создания такой структуры — получение материала с уникальным набором характеристик, недостижимым для каждого из компонентов в отдельности. Ключевыми элементами структуры композита являются матрица, армирующий наполнитель и межфазная граница между ними.

Основные компоненты структуры композитов

1. Матрица

Матрица — это непрерывный компонент, который связывает воедино армирующие элементы. Она выполняет несколько ключевых функций:

• Обеспечивает монолитность и форму изделия.
• Передает и равномерно распределяет внешнюю нагрузку на армирующие элементы, которые являются основными несущими компонентами.
• Защищает армирующие элементы от механических повреждений и агрессивных воздействий окружающей среды (влаги, химических веществ, ультрафиолета).
• Определяет многие эксплуатационные свойства композита, такие как рабочая температура, химическая стойкость, диэлектрические свойства.

В зависимости от материала матрицы композиты делятся на три основные группы:

• Полимерные композиты (полимерная матрица): используются термореактивные (эпоксидные, полиэфирные смолы) или термопластичные (полиамид, полипропилен) полимеры. Они наиболее распространены из-за низкой стоимости, простоты переработки и малого веса.
• Металлические композиты (металлическая матрица): в качестве матрицы выступают сплавы алюминия, титана, магния. Обладают высокой прочностью и жаростойкостью.
• Керамические композиты (керамическая матрица): матрица из керамики (например, карбид кремния, оксид алюминия). Отличаются очень высокой жаропрочностью, твердостью и износостойкостью, но хрупкие.

2. Армирующий наполнитель (арматура)

Армирующий наполнитель — это дискретный компонент, внедренный в матрицу. Именно он придает композиту высокую прочность, жесткость и другие требуемые механические свойства. Форма, размер, ориентация и концентрация наполнителя определяют анизотропию (различие свойств в разных направлениях) и конечные характеристики материала. По геометрии наполнителя выделяют несколько типов композитов:

• Волокнистые композиты: армированы волокнами. Это наиболее эффективный тип армирования.
  • С непрерывными волокнами: волокна расположены по всей длине изделия. Могут быть уложены однонаправленно (максимальная прочность в одном направлении), перекрестно или в виде тканых материалов (ткани, ленты), что обеспечивает прочность в нескольких направлениях.
  • С дискретными (короткими) волокнами: короткие отрезки волокон (фибры) могут быть ориентированы хаотично (что дает изотропные свойства) или упорядоченно. Такие композиты проще в изготовлении, но уступают по прочности материалам с непрерывными волокнами.
  В качестве волокон используют стекловолокно, углеволокно, арамидные (например, Кевлар), базальтовые, борные волокна.
• Дисперсно-упрочненные композиты: армированы мелкими, как правило, равноосными частицами. Упрочнение достигается за счет того, что частицы препятствуют движению дислокаций в матрице. Свойства таких материалов обычно изотропны.
• Слоистые композиты (ламинаты): состоят из нескольких слоев различных материалов, соединенных вместе. Классический пример — фанера. Сюда же относятся и сэндвич-панели, состоящие из двух прочных внешних слоев ("обшивок") и легкого, менее прочного заполнителя между ними.

3. Межфазная граница (зона контакта)

Это третья, не менее важная, составляющая структуры композита. Межфазная граница — это тонкий слой на границе раздела "матрица-наполнитель". Качество связи (адгезии) между матрицей и арматурой в этой зоне критически важно для работоспособности всего материала. Именно через эту границу происходит передача нагрузки от пластичной матрицы к прочному наполнителю. Если связь слабая, нагрузка не будет эффективно передаваться, и материал разрушится преждевременно. Если связь слишком жесткая, материал может стать хрупким. Свойства межфазной границы можно регулировать специальной обработкой поверхности наполнителя.

Таким образом, структура композита представляет собой сложную многоуровневую систему, где каждый компонент (матрица, наполнитель) и граница между ними играют свою уникальную роль, а их синергетическое взаимодействие определяет конечные свойства материала.

Ответ:

Структура композитов гетерогенна и состоит из двух основных компонентов: пластичной матрицы (связующего) и прочного армирующего наполнителя (волокон, частиц, слоев). Матрица обеспечивает монолитность изделия и передает нагрузку, а наполнитель воспринимает эту нагрузку, придавая материалу прочность и жесткость. Ключевую роль также играет межфазная граница между ними, отвечающая за эффективность передачи нагрузки. В зависимости от геометрии наполнителя композиты классифицируются на волокнистые, дисперсно-упрочненные и слоистые.