ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Проводимость в гетерогенных системах из "Промышленные полимерные композиционные материалы " Ситуация полностью изменилась с разработкой и освоением промышленного производства углеродных и других неметаллических волокон. Сочетание высокой прочности, высокого модуля упр тости и низкой плотности, характерное для углеродных волокон, дает возможность получать композиционные материалы, которые не только не уступают по механическим свойствам традиционным металлическим материалам, но и имеют ряд преимуществ, особенно в тех случаях, когда большое значение имеет снижение веса конструкции (в авиационной и космической технике) или ко1 да напряжения, вызваемые действием силы тяжести, ухудшают эксплуатационные свойства узлов, изготовленных из более тяжелых металлических материалов. Поэтому не удивительно, что первоначальные усилия по разработке композиционных материалов были направлены на улучшение их механических свойств и знячитсльно меньшее внимание уделялось исследованию их тепло-физических и электрических свойств. [c.285] Тепло- и электропроводность металлов почти на два порядка больше, чем у полимерных материалов и поэтому в случае металлов не возникает никаких проблем в отводе тепла от локального источника (например, в корпусах подшипников, плитах разъема). На практике при расчете теплопередачи к жидкостям через металлические стенки редко возникала необходимость принимать во внимание тепловое сопротивление стенки. Несколько отличная картина наблюдается в случае композиционных материалов, теплопроводность которых определяется теплопроводностью матрицы и армирующего наполнителя, причем и матрица, и наполнитель являются худшими проводниками, чем металлы, которые они могут заменять. Естественно, что с увеличением масштабов использования высокопрочных композиционных материалов появилась необходимость в получении информации об их теплофизических и электрических свойствах. [c.285] Большинство ранее опубликованных работ по этому вопросу содержат только отдельные сведения для композиционных материалов специального назначения. На основании таких разрозненных данных трудно даже пытаться выстроить последовательную картину, которая бы позволила вывести эмпирические или теоретические зависимости для прогнозирования теплофизических или электрических свойств композиционных материалов, исходя из свойств отдельных компонентов и их объемных долей. [c.285] В качестве армирующего наполнителя могут быть использованы рубленые волокна, например любые минеральные волокна, а также непрерывные волокна. Во всех случаях волокна в материале распределяются различным образом, например хаотически (штапельное волокно), с однонаправленной ориентацией (маты), намоткой непрерывных нитей. [c.286] Армирующие волокна обладают не только механическими свойствами, превосходящими механические свойства матрицы, но и более высокой теплопроводностью и отличными от матрицы электрическими свойствами. Очевидно, что ориентация волокон относительно вектора потока энергии должна оказывать влияние на соответствующие свойства композиционных материалов. Наблюдаемая при этом анизотропия свойств, связанных с явлениями переноса, является одной из характерных особенностей таких материалов и отличает их от большинства металлических материалов конструкционного назначения. Теплопроводность в продольном направлении композиционного материала (вдоль оси волокна) даже в случае изотропного армирующего наполнителя может быть на 30% выше, чем в поперечном направлении (перпендикулярном оси волокна). Композиционные материалы на основе углеродных волокон имеют отношение теплопроводности в осевом направлении к теплопроводности в поперечном направлении около 50 1. [c.286] Отсюда следует, что для прогнозирования тепло- и электропроводности композиционных материалов недостаточно знать только корреляцию этих свойств с плотностью. [c.286] Технология композиционных материалов также оказывает определенное влияние на физические свойства, что обусловлено большим разнообразием методов, используемых при формовании изделий из них, отсутствием автоматизированных методов, и, до некоторой степени, колебанием свойств исходных компонентов. [c.286] В готовом композиционном материале могут присутствовать воздух и летучие продукты отверждения, приводящие к пористости, степень которой даже в хорошо отформованных образцах может достигать 6—10%. Наличие пор, которые трудно определить количественно, в свою очередь приводит к вариабильности физических свойств и вполне очевидно, что относительно большой разброс экспериментальных данных для аналогичных по своей природе композиционных материалов является результатом этого эффекта. [c.286] За последние годы был опубликован ряд работ, посвященных систематическим исследованиям тепло- и электропроводности композиционных материалов, в которых кроме экспериментальных данных о свойствах композиционных материалов содержится информация о соответствующих свойствах волокнистых наполнителей и матриц, а также приводятся методы и условия изготовления образцов для испытаний. Результаты этих исследований были положены в основу полуэмпирического корреляцибиого метода, который рассмотрен ниже. [c.287] Обычно в литературе описываются два основных подхода к анализу эффективной тепло- и электропроводности композиционных материалов, состоящих из непрерывной полимерной матрицы и волокнистого армирующего наполнителя. Первый и наиболее простой подход основан на допущении о том, что композиционный материал можно рассматривать как систему сопротивлений. Такой подход является универсальным для любого явления проводимости и буква к обозначает любой коэффициент проводимости — коэффициент теплопроводности, удельную электропроводность, коэффициент диффузии и диэлектрическую постоянную или диэлектрическую проницаемость. [c.288] Проводимость в идеальном композиционном материале, не имеющем пор, будет зависеть от коэффициентов проводимости компонентов непрерывной матрицы км) и армирующего наполнителя кр, объемных долей матрицы (1—ф ) и волокон фг и пространственного распределения и ориентации армирующих волокон Б матрице Ц) Ру Кроме того, эффективный коэффициент проводимости композиционного материала кс будет также зависеть от размеров волокна и степени анизотропии рассматриваемых свойств материалов волокна и матрицы. [c.288] Степень влияния различных параметров на Y можно оценить, рассматривая два простых случая функции распределения ф(/ ) — последовательное и параллельное распределение волокон в матрице. [c.288] В этом случае сопротивление проводимости энергии является минимальным. [c.289] Анализ уравнений (7.6) и (7.12) показывает, что для двух крайних случаев распределения материала матрицы можно записать. [c.289] Так как большинство данных о коэффициентах проводимости реальных композиционных материалов лежит в интервале между двумя экстремальными значениями, то интересно рассмотреть, в какой степени промежуточное выражение для среднегеометрического значения коэффициентов kp и км согласуется с экспериментальными данными о коэффициентах проводимости композиционных материалов. [c.290] Дифференцирование уравнения (7.14) по X подтверждает, что выполняются условия, выраженные уравнением (7.13). Кроме того, коэффициенты проводимости композиционного материала в предельных случаях при ф =1 и ф =0 должны быть равны коэффициентам проводимости волокна или матрицы соответственно. Как видно, уравнение (7.14) удовлетворяет и этим требованиям. [c.290] Для наглядной иллюстрации общих закономерностей были произведены вычисления с помощью уравнений (7.6), (7.12) и (7.15), графическое изображение которых приведено на рис. 7.2. В качестве независимого параметра было выбрано реальное значение m/ f = 0,2, характерное для композиционных материалов на основе фенолофор-мальдегидных смол и стеклянных волокон. [c.291] Следует отметить, что при выводе уравнений (7.6) и (7.12) не учитывались геометрические параметры, ориентация или распределение армирующего наполнителя. Поэтому прогнозы, которые можно сделать, исходя из этих двух уравнений, характеризуют только верхнюю и нижнюю границы теплопроводности композиционного материала, а реальные величины принимают промежуточные значения в пределах этих границ. [c.291] Различные авторы пытались усовершенствовать структурный аналог эквивалентного сопротивления так, чтобы учесть разнообразие геометрических параметров частиц наполнителя. Одним из типичных примеров является модель, используемая Кнаппе с сотр. [2] для установления соответствия экспериментальных и расчетных данных по теплопроводности слоистых стеклопластиков. [c.291] Вернуться к основной статье