XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование композиционных материалов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Жеребцова П.Д. 1

---

1МАОУ СОШ с. Красный Ключ

Жеребцова М.Ю. 1

---

1МАОУ СОШ с. Красный Ключ

Работа в формате PDF

2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1Введение

«Познание начинается с удивления»

Аристотель

В мире каждый день создается что-нибудь новое: машины, гаджеты, продукты. Нам всегда интересно наблюдать за тем, что происходит вокруг.

Этим летом я вместе с братом помогала родителям в строительстве фундамента для бани. Папа насыпал в бетономешалку определенное количество цемента, гравия, воды и песка. У нас возникло много вопросов: зачем нужно добавлять гравий и песок, почему в фундаменте располагают железные прутья и другие. Папа нам объяснил, что бетон - это композитный материал; гравий, песок и арматура позволяют увеличить сопротивление материала к нагрузкам, сделать его прочнее. Подобным образом устроено огромное количество материалов, которые нас окружают.

Проблема: Что же такое композит?

я поставила себе цель: узнать как можно больше о композиционных материалах, изучить их свойства и технологию изготовления.

Актуальность: Композиты становиться частью нашей жизни, широко применяются в современной технике. Они позволяют сочетать лучшие качества составляющих их материалов, формируя лёгкие, прочные, износоустойчивые изделия. Создание новых композитных материалов имеет важное значение.

Объектом исследования являются композитные материалы.

Предметом исследования является технология создания композиционных материалов и изучение их свойств.

Задачи исследования:

1. Изучение литературы по теме.

2. Получение различных композитов из доступных веществ.

3. Тестирование полученных материалов на различные нагрузки.

4. Обобщение результатов.

Гипотеза: Любой человек может создать композиционный материал.

Методы и приемы исследования:

• Эмпирические: изучение литературы, поиск информации.

• Экспериментальный: создание композита и проведение испытаний.

• Теоретические: сравнение, анализ, обобщение.

Форма: исследовательская

Практическая значимость: данное исследование может быть использовано для повышения уровня знаний учащихся нашей школы.

II Основная часть

1. Композиционные материалы

Слово «композиция» (от лат. compositio – составление, связывание) широко применяется в художественной литературе, музыке, скульптуре, графике. Исходя из этого говорят о литературно-музыкальной композиции или о музыкальной композиции, состоящей из различных произведений и отрывков. Если перенести эти рассуждения на понятие «композиционный материал», то в самом общем случае композиционным материалом является материал, состоящий из каких-либо различных частей.

Достаточно известно определение, согласно которому: композиты – это материалы, состоящие из двух или более компонентов (армирующих элементов и скрепляющей их матрицы) и обладающие свойствами, отличными от суммарных свойств компонентов.

При этом предполагается, что компоненты, входящие в состав композита, должны быть с различными физическими и/или химическими свойствами, хорошо совместимыми и не растворяться или иным способом поглощать друг друга.

Композиты формируются путем объединения разнородных материалов в общую структуру, свойства которой сильно отличаются от свойств отдельных компонентов.

Создание прочного композиционного материала, то есть материала с усиленной совокупностью свойств – главное при получении композиционного материала. Это достигается путём введения армирующих наполнителей. В качестве наполнителя используют более прочное вещество: ткани из различных материалов, картон, бумага, волокна растений, графит, технический углерод, стекло и т.д.

Наполнитель может быть:

1. порошковым;

2. волокнистым;

3. слоистым.

К композитным материалам относятся древесно-стружечные и древесноволокнистые плиты, фанера, железобетон, детали автомобилей и самолетов, удочки для рыбной ловли, лыжные палки, эпоксидный клей и даже зубные пломбы (рис. 1).

а)

б) в)

Рис.1. Примеры композиционных материалов

а) элементы корпуса самолета (углепластик, стеклопластик, сплавы металлов);

б) пломбировочный материал;

в) фанера

2. Экспериментальная часть

Я решила попробовать сама создать композиционный материал. В этом мне помогла доцент кафедры «Технологические машины и оборудование» УГНТУ, кандидат технических наук Гафарова Виктория Александровна.

1. 1. Выбор составляющих.

Композиционный материал мы решили создавать на основе эпоксидного клея. Эпоксидный клей – это прочнейший клей, который склеит почти все, за исключением непористых эластичных материалов. Смола является двухкомпонентным материалом. Это значит, что в свободном виде эпоксидная смола не применяется, только в сочетании с отвердителем (рис.2).

Рис. 2. Эпоксидный клей

Я взяла три вида веществ в качестве наполнителей (рис.3):

1. Магнитный порошок (состоит из раздробленных, очень мелких частиц ферромагнетика).

2. Карбонильное железо - особая разновидность высокочистого железа, обладающая весьма ценными физико-химическими характеристиками, а также необыкновенно высокими показателями пластичности.

3. Древесный уголь - черный углеродный остаток, образующийся при сильном нагревании древесины.

а) б) в)

Рис. 3. Наполнители

а) магнитный порошок; б) карбонильное железо; в) древесный уголь

2.2 Создание композита.

Для получения композита необходимо брать точное количество веществ. Это сложные расчеты. Я воспользовалась уже готовыми данными и самостоятельно отмерила необходимое количество.

2. 3. Измерение твердости.

Твёрдость — свойство материала сопротивляться внедрению более твёрдого тела. Для ее измерения используется специальный прибор – твердомер (рис .4), который позволяет измерить твердость изделия, не разрушая структуру материала. Он имеет датчик с индентором (рис. 5.) Индентор – это алмазный наконечник, который оказывает механическое воздействие на образец и регистрирует силу этого воздействия.

Рис.4. Твердомер Рис.5. Индентор

5. Полученные данные занесла в таблицу и при помощи специальной программы рассчитала среднюю твердость каждого образца (приложение 1, табл.1). Самым твердым получился композит с магнитным порошком, немного ниже твердость у композита с карбонильным железом и замыкает этот ряд образец с древесным углем – его твердость почти в 2 раза меньше, чем у первого образца.

2.4. Механические испытания.

Для того, чтобы узнать какой материал более хрупкий, а какой более пластичный я воспользовалась разрывной машиной – сервогидравлической системой Instron. Данная машина позволяет проверить образцы на статическое растяжение (разрыв).

Статическое растяжение — одно из наиболее распространённых видов испытаний для определения механических свойств материалов. Это испытание подобно растягиванию веревки в разные стороны. Силу, с которой нужно потянуть, чтобы веревка разорвалась, называют силой разрыва.

Результаты механических испытаний оформила в виде таблицы (приложение 1, табл.2). Самым прочным оказался металлический образец. Он выдержал нагрузку в 20000 Н, у образцов с магнитным порошком и карбонильным железом нагрузка близкая 1700 Н и 1800 Н. Удивительным оказался тот факт, что самый прочный из образцов композит с древесным углем. Он выдержал нагрузку в 2500 Н! Это доказывает возможность создания более прочных материалов из более дешевых и доступных.

III Заключение.

В результате проделанной работы я решила нашу проблему и добилась поставленной цели. Узнала что такое композиты, какие они бывают и какими свойствами обладают.

Моя исследовательская работа позволяет сделать выводы:

1. Области применения композиционных материалов не ограничены.

2. Композиты позволяют решить множество задач: уменьшить вес изделий, увеличить прочность или твердость, создать материал с необходимыми свойствами.

3. Для создания композитов можно использовать доступные материалы: древесные уголь, опилки, нити и др.

4. Гипотеза работы подтвердилась – простейший композиционный материал может создать любой человек.

Моя работа рассматривает лишь один из аспектов проблемы. Исследования в этом направлении могут быть продолжены. И в ближайшее время я хочу продолжить работу на изучение свойств более сложных композитов.

Список использованной литературы

1. Бондалетова Л.И., Бондалетов В.Г. Полимерные композиционные материалы. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 118 с.

2. Денс, Ю. , Кес Б., Мариан К.. Иллюстрированная детская энциклопедия. - М.: РИПОЛ классик, Владис, 2013. - 96 c.

3. Забродина Е. Построено на века.-М. Манн, Иванов и Фербер, 2018 .- 56 с.

4. Понамарев В.А., Яранцев Н.В. Порошковые композиционные материалы для изделий электронной техники.-М.-МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014.- 304 с.

5. Роб Ллойд Джонс. Как все работает?-М.:Робинс,2020.-14 с.

6. https://stroy-podskazka.ru/materialy/kompozit/

Приложение 1 – Результаты измерений

Таблица 1. Результаты измерения твердости образцов композита.

Таблица 2. Результаты механических испытаний