Государственное Образовательное Учреждение Гимназия №1505 реферат
Скачать 360.06 Kb.
|
§2 Что такое композиционные материалыПрорыв в новые области знаний, технологий, создание изделий с требуемыми свойствами, резкое улучшение экономических показателей, обретение технико-экономической независимости вследствие отказа от использования традиционно приемлемых материалов - все это возможно только благодаря современным материалам - новым композиционным материалам. К  омпозиционные материалы (КМ, композиты) - многокомпонентные материалы (рис.5), состоящие из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью рис.5 и т.д. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам, и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса. Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в XVIII веке (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины XX века. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель. А вот другой пример. Первые композиционные материалы на основе полимеров — битумную смолу, наполненную тростником,— использовали для строительных целей в Древнем Вавилоне более 5000 лет назад. Известно, что в Египте и в государствах Месопотамии в третьем тысячелетии до н.э. из этого же материала строили речные суда. Если внимательно проанализировать искусство мумифицирования, распространенное в Древнем Египте, то в основе его также можно найти способ получения композитов. В самом деле, тело после соответствующей обработки обматывали лентой из ткани и пропитывали природной смолой с образованием жесткого кокона. Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного в наши дни композиционного материала - древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), выдерживающие большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 году до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4-6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями. Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы - металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы - полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям. Д  ля создания композита используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло - и графитопласт (ткань или намотанное волокно из рис.6 стекла или графита (рис.6), пропитанные эпоксидными клеями), фанера. Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр. [2, c.135]. По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами - кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации, размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси. В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок. Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему), тогда как дисперсно-упрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов - нового класса композиционных материалов - еще меньше и составляют 10-100 нм. Композиционные материалы обладают преимуществами и недостатками. Главное преимущество КМ в том, что они очень прочны и жестки. Композиционные материалы обладают высокой износостойкостью и усталостной прочностью (долговечностью). Кроме этого, они обладают легкостью. Также, из них можно изготовить размеростабильные конструкции – конструкции, которые сохраняют свои размеры при различных воздействиях. Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно. К сожалению, многие композиционные материалы обладают недостатками. Цены на них высоки, с чем и борются материаловеды. Для создания КМ необходимо специальное дорогостоящее оборудование и сырье, что приводит к повышенной наукоемкости производства [2, c.241]. C  давних времен люди испытывали нужду в таких материалах, в которых бы сочетались несколько физических свойств сразу. В нынешнее время ситуация не изменилась. Композиционные материалы задействованы почти во всех областях. Например, простейших композиционных материалов. Из КМ делают автомобильные покрышки и лодки рис.7 из стеклопластика (стекловолокнистого наполнителя). Кроме этого, они входят в состав удилищ для рыбной ловли. Композиты нашли применение и в спорте. Из них делают оборудования для горнолыжного спорта – палок и лыж. К  омпозиционные материалы нашли применение в машиностроении. В этой области они широко применяются для создания защитных покрытий на трущихся поверхностях (рис.8), а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания, например, поршней. Защитное покрытие имеет низкий коэффициент трения, 0,01 и менее. КМ рис.8 нашли применение и в авиации и космонавтике. В этих областях с 1960-х годов существует необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шатлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов. Композиты также используются в военной технике. Благодаря своим характеристикам (прочности и лёгкости) они применяются для производства различных видов брони, например, бронежилетов [5].Но основное использование они получили в быту и строительстве. Применение композиционных материалов в этих областях будет рассмотрено в следующем параграфе моего реферата. §3 Композиционные материалы в быту и строительстве  Невозможно себе представить, как люди бы обходились в быту и строительстве без композиционных материалов. Люди являлись, являются и будут являться основными потребителями композиционных материалов. Можно сказать, что они являются «основой» в строительстве и быту. Очень хорошо проявлены преимущества композиционных материалов, употребляющихся в этих областях. Далее будут приведены примеры композиционных материалов, в которых люди проявляют большую заинтересованность. Одним из самых распространенных строительных композиционных материалов является железобетон. Железобетон — это строительный композиционный материал, представляющий собой залитую бетоном стальную арматуру (совокупность соединенных между собой элементов). На рис.9 изображена арматура для железобетонных конструкций. Термин запатентован в 1867 году Жозефом Монье как материал для рис.9 изготовления кадок для растений. Этот год принято считать годом изобретения железобетона как универсального несгораемого строительного материала. Уже в XX веке железобетон является наиболее распространённым материалом в строительстве. Термин «железобетон» абстрактен и употребляется обычно в выражении «теория железобетона». Если речь идёт о конкретном объекте, будет правильнее говорить «железобетонная конструкция» или «железобетонный элемент». Железобетон обладает как положительными, так и отрицательными качествами. К положительным качествам железобетонных конструкций относятся:
К недостаткам железобетонных конструкций относятся:
Выделяют сборный железобетон (железобетонные конструкции изготавливаются в заводских условиях, затем монтируются в готовое сооружение) и монолитный железобетон (бетонирование выполняется непосредственно на строительной площадке). Главной задачей при проектировании железобетонной конструкции является расчёт армирования. Армирование конструкций выполняется стальными стержнями. Диаметр стержней и характер их расположения определяется расчётами. При этом соблюдается следующий принцип — арматура устанавливается в растянутые зоны бетона либо в преднапряжённые сжатые зоны. В России железобетонные элементы принято рассчитывать:
По характеру работы выделяют изгибаемые элементы (балки, плиты) и сжатые элементы (колонны, фундаменты). При изгибе любого элемента в нём возникает сжатая и растянутая зоны (рис.10), изгибающий момент и поперечная сила. В железобетонной конструкции выделяется две формы разрушения:
В типичном случае армирование балки рис.10 выполняется продольной и поперечной арматурой (рис.10). На рис.10 представлены арматуры: 1 - верхняя (сжатая), 2 - нижняя (растянутая) 3 - поперечная, 4 - распределительная. Основными параметрами конструкции являются: L — пролёт балки или плиты, расстояние между двумя опорами. Обычно составляет от 3 до 25 метров; H — высота сечения. С увеличением высоты прочность балки растёт пропорционально h²; B — ширина сечения; a — защитный слой бетона. Служит для защиты арматуры от воздействия внешней среды; s — шаг поперечной арматуры. Арматура (2), устанавливаемая в растянутую зону, служит для упрочнения бетона, который в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении. Арматура (1) в сжатую зону устанавливается обычно без расчёта (из необходимости приварить к ней поперечную арматуру), в редких случаях верхняя арматура упрочняет сжатую зону бетона. Растянутая арматура и сжатая зона бетона (и иногда сжатая арматура) обеспечивают прочность элемента по нормальным сечениям (рис.10). Поперечная арматура (3) служит для обеспечения прочности наклонных сечений (рис.10). На рис.11 показано разрушение ж/б элемента по нормальным сечениям. На рис.12 показано разрушение ж/б элемента по наклонным сечениям.   рис.11 рис.12 Р  аспределительная арматура (4) имеет конструктивное назначение. При бетонировании она связывает арматуру в каркас. Разрушение элемента в обоих случаях наступает вследствие разрушения бетона растягивающими напряжениями. Арматура устанавливается в направлении действия растягивающих напряжений для упрочнения элемента. Небольшие по высоте балки и плиты (до 150 мм) допускается проектировать без установки верхней и поперечной арматуры. Плиты армируются по такому же принципу, как и балки, только ширина B в случае плиты значительно превышает высоту H, продольных стержней (1 и 2) больше, они равномерно распределены по всей ширине сечения. Кроме расчёта на прочность для балок и плит выполняется расчёт на жёсткость (нормируется прогиб в середине пролета при действии нагрузки) и трещиностойкость (нормируется ширина раскрытия трещин в растянутой зоне). При сжатии длинного элемента для него характерна потеря устойчивости (рис.13). При этом характер работы сжатого элемента несколько напоминает работу изгибаемого элемента, однако рис.13 в большинстве случаев растянутой зоны в элементе не возникает. Если изгиб сжатого элемента значителен, то он рассчитывается как внецентренно сжатый. Конструкция внецентренно сжатой колонны сходна с центрально сжатой, но, в сущности, эти элементы работают (и рассчитываются) по-разному. Также элемент будет внецентренно сжат, если кроме вертикальной силы на него будет действовать значительная горизонтальная сила (например, ветер, давление грунта на подпорную стенку). Типичное армирование колонны представлено на рис.13. В сжатом элементе вся продольная арматура (1) сжата, она воспринимает сжатие наряду с бетоном. Поперечная арматура (2) обеспечивает устойчивость арматурных стержней, предотвращает их выпучивание. Центрально сжатые колонны проектируются при помощи квадратного сечения. Массивными считаются колонны минимальная сторона сечения которых более или равна 400 мм. Массивные сечения обладают способностью к наращиванию прочности бетона длительное время, т.е. с учетом возможного увеличения нагрузок в дальнейшем (и даже возникновения угрозы прогрессирующего разрушения - террористические атаки, взрывы и т.д.) - они имеют преимущество перед колоннами немассивными. Т.о. сиюминутная экономия сегодня не имеет смысла в дальнейшем и кроме этого малые сечения нетехнологичны при изготовлении. Необходим баланс между экономией, массой конструкции и т.н. жизнеутверждающим строительством. Изготовление железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические процессы: — Подготовка арматуры; — Опалубочные работы (изготовление, установка и разборка опалубки (элементов и деталей, предназначенных для придания требуемой формы ж/б конструкциям, возводимым на строительной площадке); — Армирование железобетона (усиление конструкции другим материалом (осуществляется стальной арматурой). При помощи армирования повышается трещиностойкость, жёсткость и долговечность конструкций; — Бетонирование (заливание бетоном стальной арматуры); — Уход за твердеющим бетоном. Для защиты железобетонных конструкций применяются специальные полимерные составы, позволяющие изолировать поверхностный слой железобетона от негативных влияний внешней среды (химические агенты, механические воздействия). Для защиты железобетонного основания применяют различные типы защитных конструкций, позволяющих модифицировать эксплуатационные свойства минеральной поверхности — увеличить износостойкость, уменьшить пылеотделение, придать декоративные свойства (цвет и степень блеска), улучшить химическую стойкость. Полимерные покрытия, наносимые на железобетонные основания, классифицируют по типам: обеспыливающие пропитки, тонкослойные покрытия, наливные полы, высоконаполненные покрытия. Другой метод защиты железобетонных конструкций заключается в покрытии арматуры фосфатом цинка. В результате образуется устойчивое апатитное покрытие [4, c.87]. Из железобетона производят шамотные кирпичи, асбестоцементные трубы, цементо-стружечные плиты, фундаментные блоки, колодезные кольца, перемычки, бордюрные камни и лестничные ступени. Теперь становится понятным, почему люди нуждаются в строительных композиционных материалах. Одним из самых распространенных полимерных композиционных материалов являются пластмассы. Пластмасса на сегодняшний день является незаменимым материалом не только в производстве, но и в обычном хозяйстве. Пластмассы (пластические массы, пластики) — органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять после охлаждения или отвердения заданную форму. Процесс формования сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное состояние. Первая пластмасса была получена английским металлургом и изобретателем А. Парксом в 1855 году. Паркс назвал её паркезин (позже - целлулоид). Развитие пластмасс началось с использования природных пластических материалов (например, жевательной резинки), затем с использованием химически модифицированных природных материалов (таких, как резина, коллаген) и, наконец, пришло к полностью синтетическим молекулам. Преемником паркезина стал ксилонит (другое название того же материала). В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании изделий пластмассы делят на:
Также газонаполненные пластмассы — вспененные пластические массы, обладающие малой плотностью. Основные механические характеристики пластмасс те же, что и для металлов. Пластмассы характеризуются малой плотностью (0,85—1,8 г/см³), чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой механической прочностью. При нагревании (часто с предварительным размягчением) они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований, отношение к органическим растворителям различное (в зависимости от химической природы полимера). Физиологически почти безвредны. Свойства пластмасс можно модифицировать путём сочетания различных пластмасс друг с другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная ткань, введением наполнителей и красителей, тепло- и светостабилизаторов, облучения и др., а также варьированием сырья. Пластмассы также обладают твердостью, теплостойкостью, температурой хрупкости (морозостойкостью). Для того, что придать особые свойства пластмассе, в нее добавляют пластификаторы (например, силикон), антипирены и антиоксиданты. Производство синтетических пластмасс основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул (приставка «поли» от греческого «много», например этилен-полиэтилен). Обрабатывают пластмассы разными способами. Вот некоторые из них:
Рассмотрим два метода обработки: механическую и сварку. Пластмассы, по сравнению с металлами, обладают повышенной упругой деформацией, вследствие чего при обработке пластмасс применяют более высокие давления, чем при обработке металлов. Применять какую-либо смазку, как правило, не рекомендуют; только в некоторых случаях при окончательной обработке допускают применение минерального масла. Охлаждать изделие и инструмент следует струей воздуха. Они более хрупки, чем металлы, поэтому при обработке пластмасс режущими инструментами надо применить высокие скорости резания и уменьшать подачу. Износ инструмента при обработке пластмасс значительно больше, чем при обработке металлов, почему необходимо применять инструмент из высокоуглеродистой или быстрорежущей стали или же из твердых сплавов. Лезвия режущих инструментов надо затачивать, по возможности, более остро, пользуясь для этого мелкозернистыми кругами. Пластмасса может быть обработана на токарном станке, может фрезероваться. Для распиливания может применяться ленточные пилы, дисковые пилы и карборундовые круги [6]. Соединение пластмасс между собой может осуществляться механическим путем с помощью болтов, заклепок, склеиванием, растворением с последующим высыханием, а также при помощи сварки. Из перечисленных способов соединения только при помощи сварки можно получить соединение без инородных материалов, а также соединение, которое по свойствам и составу будет максимально приближено к основному материалу. Поэтому сварка пластмасс нашла применение при изготовлении конструкций, к которым предъявляются повышенные требования к герметичности, прочности и другим свойствам [6, c.206].  Процесс сварки пластмасс (рис.14) состоит в образовании соединения за счет контакта нагретых соединяемых поверхностей. Он может происходить при определенных условиях: 1. Повышенная температура. Ее величина должна достигать температуры вязкотекучего состояния. рис.14 2. Плотный контакт свариваемых поверхностей. 3. Оптимальное время сварки — время выдержки. Также следует отметить, что температурный коэффициент линейного расширения пластмасс в несколько раз больше, чем у металлов, поэтому в процессе сварки и охлаждения возникают остаточные напряжения и деформации, которые снижают прочность сварных соединений пластмасс [3, c.214]. На прочность сварных соединений пластмасс большое влияние оказывают химический состав, ориентация макромолекул, температура окружающей среды и другие факторы. Как и при сварке металлов, при сварке пластмасс следует стремиться к тому, чтобы материал сварного шва и околошовной зоны по механическим и физическим свойствам мало отличался от основного материала. Сварка термопластов плавлением, как и другие методы их переработки, основана на переводе полимера сначала в высокоэластическое, а затем в вязкотекучее состояние и возможна лишь в том случае, если свариваемые поверхности материалов (или деталей) могут быть переведены в состояние вязкого расплава. При сварке многих пластмасс выделяются вредные пары и газы. Для каждого газа имеется строго определенная предельно доступная его концентрация в воздухе [3, c.215]. Из пластмассы делают пленочные изделия. Также, из пластмассы (твердой) делают пластмассовые ведра, горшки для цветов и кашпо, предметы домашнего обихода (пластмассовые табуретки, совки для мусора, корзины для мусора), детские товары, изделия для ванной и туалетной комнаты, а главное пластмассовую посуду. Каждый день люди испытывают необходимость в этих предметах. Вот почему композиционные материалы так необходимы в быту. |
о нормальным сечениям (сечениям, перпендикулярным продольной оси, от действия изгибающего момента); Похожие:
 | Государственное Образовательное Учреждение Гимназия №1505 реферат | | Реферат «Нанотехнологии в медицине» Сопова Софья 2011г. Гоу гимназия... |
| Государственное Образовательное Учреждение Гимназия №1505 реферат Целью моего исследования является расширение своих познаний в области физики, материаловедения. Также я предполагаю расширить знания... |  | Хронотоп в романе Лермонтова ''Герой нашего времени Гбоу гимназия города Москвы Гимназия №1505 "Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория" |
| Гоу гимназия 1505 «Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»... | | Реферат на тему «Мифы и легенды Великобритании и России» Государственное бюджетное образовательное учреждение гимназия №397 кировского района санкт-петребурга им. Г. В. Старовойтовой |
| Гбоу гимназия №1505 Основы и принципы программирования в Mindstorm | | Гбоу гимназия №1505 Параграф Что такое металлы в живых организмах и общая информация о них |
| Название реферата Класс, образовательное учреждение: 7 «А» класс, муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Гимназия» (мбоу «Гимназия»),... | | Лабораторные работы на уроках биологии с использованием цифрового микроскопа Государственное бюджетное образовательное учреждение гимназия №42 Приморского района Санкт-Петербурга (гбоу гимназия №42 Приморского... |
| Гоу гимназия №1505 решение логических задач Б задачи на нахождение наименьшего количества предметов, задачи на тему «отличительные характеристики» | | Любви в произведениях И. С. Тургенева Государственное образовательное учреждение среднего (полного) общего образования гимназия №41 имени Эриха Кестнера |
| Программа мбоу «Новошешминская гимназия Новошешминского муниципального района рт» Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Программа проведения 06 декабря 2013 года 1-е классы на базе д/с №868 Время Государственное бюджетное образовательное учреждение города москвы гимназия №1504 |
| Сценария Полное название образовательного учреждения: Государственное бюджетное образовательное учреждение гимназия №397 Кировского района... | | В гостях у фей Полное название образовательного учреждения: Государственное бюджетное образовательное учреждение гимназия №397 Кировского района... |
