Что такое волокнистые композиционные материалы
Основные принципы получения волокнистых полимерных композитов
1. Основы выбора компонентов для волокнистых полимерных композитов
Свойства получаемого композиционного материала зависят от выбора исходных компонентов и их соотношения, взаимодействия между ними, вида и расположения волокон в армирующем наполнителе, метода и технологических условий изготовления изделия (давления, температуры, времени), дополнительной обработки изделия и ряда других факторов.
Определяющим при создании композитов является взаимодействие и взаимовлияние компонентов в элементарном объеме волокно–матрица (связующее). Чем выше необходимые свойства получаемого композита конструкционного назначения, тем более сложный комплекс требований должен выдерживаться при выборе исходных компонентов, без выполнения которых невозможно получение качественных изделий. Эти требования включают нижеследующие характеристики [1]:
Получение армированных волокнистых полуфабрикатов производится путем совмещения волокнистых наполнителей с полимерной матрицей — это удобная промежуточная стадия в технологическом процессе получения композиционных материалов или изделий. Для получения АВП используют расплавы термопластов или растворы (а также дисперсии) жидких олигомеров — исходных компонентов для реактопластов. Совмещение ведут на машинах периодического или непрерывного действия, затем следует сушка (при пропитке растворами или дисперсиями) и охлаждение пропитанного наполнителя.
Получение волокнитов может быть проведено различными методами:
Качество пропитанного наполнителя определяется равномерностью его состава и распределения связующего в порах материала, поскольку от полноты заполнения межволоконных пор зависит монолитность получаемых композитов. Для повышения качества пропитки волокнистого наполнителя связующим ее часто проводят с предварительным вакуумированием или под давлением; при непрерывной пропитке применяют промежуточный отжим.
АВП с термопластичной матрицей — полиэтиленом, полипропиленом, полиамидами и другими (в нее заранее добавлены красители или другие необходимые компоненты) могут храниться до переработки в композиты практически неограниченное время.
АВП с термореактивными матрицами изготавливают на основе олигомеров термореактивных смол (не полностью отвержденных и потому текучих при нагревании) фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и других видов с добавлением всех необходимых компонентов: порошкообразных наполнителей, красителей, смазывающих веществ (для исключения прилипания к пресс-формам) и других. АВП с термореактивной матрицей могут храниться только ограниченный срок, определяемый техническими условиями их годности, поскольку даже при комнатной температуре происходит медленный процесс отверждения связующего. Часто рекомендуется их хранение при пониженной температуре.
Готовыми к применению исходными материалами являются также пресс-порошки, изготавливаемые на основе коротко резаных волокнистых наполнителей с применением термореактивных связующих. Их выпускная форма обычно таблетки или частицы неправильной формы. Они также содержат все необходимые компоненты и готовы для переработки в изделия, обычно методом горячего прессования.
Оказывается, однако, что, несмотря на принципиальную пригодность тех или иных компонентов для создания волокнистых полимерных композитов, часто необходима модификация поверхности волокон или состава полимерной матрицы для улучшения смачиваемости и адгезии. Для этой цели применяются химические модифицирующие обработки волокон, травление окислителями, поверхностный гидролиз, нанесение поверхностного слоя адгезива. Применяются различные методы обработки в сильных физических полях — травление в коронном разряде, обработка в плазме и другие.
Получение армированных химическими волокнами термопластов нашло широкое развитие. В табл. 1 приведены основные виды армированных волокнистых полуфабрикатов на основе термопластов, которые уже используются для изготовления деталей оборудования и других изделий в тех случаях, когда необходимо снижение массы или достижение необходимых функциональных свойств [19].
Таблица 1. Некоторые сочетания компонентов для различных видов ВПКМ
Исходные волокна, нити
Основные виды матриц (связующих)
Основные методы получения композита
Общего назначения, армированные резаными волокнами
Целлюлозные, поливинилспиртовые, неорганические
Фенольные, меламиновые, полиэфирные, полиамидные, полиолефиновые
Прессование, литье под давлением
Высокопрочные одно- и двунаправленные, текстолиты
Ароматические полиамидные, углеродные, неорганические
Эпоксидные, фенольные, ацетальные
Термостойкие и трудногорючие
Ароматические полиамидные, углеродные, неорганические
Ароматические метаарамидные, полиимидные
Фенольные, полиолефины, фторопласты
Прессование, намотка, литье под давлением
Эпоксидные, метаарамидные, полиимидные
Важное место среди волокнистых полуфабрикатов и материалов на их основе занимают комбинированные или гибридные системы, где в качестве армирующего компонента используется сочетание двух волокон или волокнистых материалов, подобранных таким образом, чтобы отрицательные характеристики одного нивелировались положительными свойствами другого или существенно уменьшалась стоимость материалов за счет введения более дешевого компонента. Так, например, использование комбинированных текстолитов из тканей на основе углеродных волокнистых материалов в сочетании со стеклотканями. При этом увеличивается абсолютная прочность на изгиб и сжатие, незначительно изменяются удельные массовые показатели остальных механических свойств. Широко рекомендуются также полуфабрикаты на основе углеродных и сверхвысокомодульных органических волокон, а также нитей и тканей из них в различных сочетаниях. Полученные композиты обладают повышенной прочностью на сжатие, более высокой ударной вязкостью и лучшими усталостными свойствами, чем сопоставимые однокомпонентные структуры.
Армирующие волокнистые полуфабрикаты по типу примененного связующего подразделяются на две группы: АВП на основе термопластичных полимеров и АВП на основе термореактивных матриц.
Перспективными с точки зрения физико-механических свойств ВПКМ и сложными с технологической точки зрения являются полуфабрикаты с термореактивными связующими, нанесение которых проводится обычно из растворов в летучих растворителях следующими методами [19]:
1 — протягиванием через ванну со связующим;
2 — окунанием волокнистого материала;
3 — контактным валиком;
4 — центробежным способом;
5 — просасыванием связующего через слой волокнистого материала под действием разности давлений;
6 — методом капиллярного насыщения через пористый материал;
9 — комбинированными методами.
После процесса пропитки и отжима избытка связующего избыточный растворитель удаляется путем сушки. Армирующие волокнистые полуфабрикаты на основе реактопластов для обеспечения оптимальных условий переработки в ВПКМ и достижения оптимума свойств последних должны удовлетворять целому ряду требований, в том числе следующим:
Полнота пропитки матрицей (связующим) зависит как от гидродинамических условий процесса, так и от условий смачивания границы раздела фаз волокно–связующее. Очень важным показателем армированных волокнистых полуфабрикатов является достижение высокого качества пропитки и отсутствие воздушных включений как на границе волокно–связующее, так и в слое связующего. Только при этих условиях может быть обеспечено получение высококачественных монолитных волокнистых композитах.
Важной проблемой является обеспечение длительного срока «жизни» АВП без потери его технологических свойств. Это, в основном, связано с выбором связующих, скорость отверждения которых в условиях хранения АВП достаточно низка. Однако это требует соблюдения заданного срока хранения.
Свойства композиционных материалов, получаемых из армирующих волокнистых полуфабрикатов, при этом определяются характеристиками АВП [19]
3. Закономерности процессов формования армированных полимерных композитов
В процессах формования изделий из композитов происходят изменения их структуры и свойств, приводящие к затвердеванию материала и образованию необходимых его физико-механических свойств. В термопластах и термопластичных матрицах протекают быстрые процессы кристаллизации и затем последующей вторичной кристаллизации (рекристаллизация), а в некристаллизующихся аморфных полимерах и сополимерах повышение вязкости на много десятичных порядков (затвердевание) происходит при охлаждении ниже температуры стеклования. В реактопластах происходит отверждение с образованием структурной сетки химических связей — необратимое затвердевание.
Процессы кристаллизации и перекристаллизации в кристаллизующихся термопластах протекают во времени, а их кинетика приближенно описывается экспоненциальным уравнением:
где Хкр и Хкр,¥ — текущая и предельная величина степени кристалличности; Kкр — константа скорости кристаллизации; она возрастает до определенной величины при повышении температуры до температуры максимума скорости кристаллизации и затем уменьшается. Температура максимума скорости кристаллизации составляет приблизительно 0,7–0,8 от абсолютной температуры плавления (в Кельвинах);
q(кр) — коэффициент, характеризующий процесс кристаллизации; — (кр) имеет значения для первичной кристаллизации от 2 до 6 в зависимости от вида термопласта.
Кинетика отверждения реактопластов включает комплекс различных химических реакций, которые также протекают по экспоненциальным зависимостям от времени и с повышением температуры экспоненциально ускоряются в соответствии с уравнением Аррениуса. Присутствие в связующих (реактопластах) армирующих волокон существенно влияет на процесс их отверждения. Кинетическое уравнение, описывающее этот процесс, приближенно аппроксимируется экспоненциальными зависимостями вида:
где X и X¥ — текущее и предельное количество образующихся химических связей; Kx — константа скорости реакции; t — время; q — коэффициент, характеризующий дробный порядок реакции; Z — предэкспоненциальный множитель; Ea — энергия активации; R — универсальная газовая постоянная; T — температура.
Однако повышение температуры ограничивается возможностью протекания побочных процессов — слишком быстрым выделением летучих продуктов реакции, термодеструктивными процессами и другими факторами. Поэтому при формовании изделий из реактопластов часто используется ступенчатый режим отверждения с выдержкой по времени при различных температурах, зависящих от вида связующего.
Изделия из волокнистых полимерных композитов непосредственно после их формования обычно имеют внутренние напряжения (являются структурно нестабильными) и вследствие этого могут изменять в последующем свои размеры и форму, что крайне нежелательно. Это является следствием нескольких причин:
· в кристаллизующихся термопластах продолжаются процессы упорядочения структуры (кристаллизации), требующие определенного времени для их завершения. При этом происходит уплотнение структуры, соответственно некоторое уменьшение объема материала. В случае наполненных и армированных термопластов эта усадка меньше, как вследствие меньшей доли кристаллизующегося компонента, так и вследствие наличия наполнителя, ограничивающего ее протекание;
· при отверждении реактопластов происходит некоторое упорядочение (уплотнение) их структуры и одновременно сближаются молекулярные фрагменты сетчатой структуры, вследствие образования химических связей, более коротких, чем межмолекулярные расстояния. Наличие дисперсного или армирующего наполнителя и соответственно уменьшение доли отверждающегося компонента уменьшает величину усадки; присутствие летучих компонентов (например, растворителя) или выделение продуктов реакции в процессах отверждения реактопластов (например, воды) требует их удаления в процессе формования изделия и/или растворения в получаемом материале под давлением при его выдержке во второй стадии процесса формования;
· снижение температуры материала при охлаждении изделия приводит к уменьшению объема, зависящего от величин линейного и объемного коэффициентов термического расширения.
Все указанные факторы приводят к релаксационным и усадочным процессам и возможному изменению размеров и формы изделия как в процессах их формования, так и при последующей эксплуатации вследствие упорядочения структуры (кристаллизации), релаксации напряжений и релаксации деформаций–усадки.
Подробнее см. книгу «Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты», выходящую в октябре в издательстве «Научные основы и технологии».
Композиционные материалы
По типу расположения наполнителя, композиционные материалы подразделяют на дисперсно-упрочненные, волокнистые и слоистые.
Волокнистые композиционные материалы
Волокнистые композиты представляют собой матрицу армированную наполнителем или т.н. арматурой. Роль арматуры выполняют волокна различной формы: нити, стержни, ленты или сетки. Армирование волокнистых композитов может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме. Прочность и жесткость таких материалов определяется свойствами армирующих волокон. Технологически, волокнистые композиты получить намного сложнее, чем дисперсно-упрочненные композиты. К волокнистым материалам, которые применяются в промышленности можно отнести:
Слоистые композиционные материалы
Слоистые композиционные материалы состоят из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала. Часто такую конструкцию называю сэндвич. Слои материала-наполнителя композита могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя с разными механическими свойствами. Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы. Ярким представителем слоистых композитов является материал на основе фенолформальдегидных смол с углеродным или стекловолокном. Такие материалы применяются в ракетно-космической отрасли.
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы
В дисперсно-упрочненные керамические материалы, для придания им высокой прочности, износостойкости и повышения других эксплуатационных свойств, вводят мелкие равномерно распределенные частицы карбидов, оксидов, нитридов и др. В этих материалах эксплуатационные свойства, также как и в инструментальных сталях и твердых сплавах, зависят от дисперсности частиц, их размеров и плотности распределения. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее композитный материал, но при этом он имеет более низкую ударную вязкость и пластичность. Частицы наполнителя создают эффективное сопротивление движению дислокаций вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсно-упрочненные композиты могут работать при достаточно высоких температурах.
На сегодняшний день применяются следующие марки сплава САП
При увеличении концентрации Al2O3 возрастает прочность композиционных материалов. Так, сплав САП-1 имеет σв = 270 МПа, σ02 = 210 МПа, а САП-3: σв = 410 МПа, σ02 = 330 МПа.
Сплавы САП применяют в авиационной промышленности для изготовления деталей с высокой прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300-500 °С.
Волокнистые композиционные материалы: что это такое
Композиционные материалы (неметаллические или металлические) отличаются своей структурой – их конструкция усилена элементами различного типа, в частности, волокнами. Одни из самых распространенных по частоте применения– волокнистые наполнители. Они занимают вторую ступеньку по популярности после дисперсионных.
Волокнистые материалы и их свойства ↑
Для армирования волокнистых композитов используют волокна либо нитевидные кристаллы. Даже небольшое их содержание в материале такого типа существенно улучшает его механические свойства. Возможность изменения при армировании ориентации волокон, их размера и концентрации позволяет еще шире варьировать свойства композитного материала.
Для армирования в большинстве случаев используют волокна углерода, бора, стеклянные, базальтовые или полимерные. Исключительный интерес, благодаря чрезвычайно высокому модулю упругости и прочности при растяжении, вызывают также монокристаллические волокна в виде нитевидных кристаллов.
Волокнистые композиционные материалы, скажем, цемент, гипсоволоконные плиты и другие, в своем составе обычно содержат волокна стекла, пластмассы, стали или углерода. Что же касается натуральных волокон, скажем, целлюлозы, то процент их использования в данном сегменте рынка значительно ниже, но и они, в свою очередь, придают композиту принципиально интересные характеристики. Среди них можно выделить:
Структура наполнителей ↑
Основные типы волокон, в частности, стеклянные и углеродные, имеют в основном круглое сечение ø 8-20 мкм, хотя в сечении может лежать также треугольник, ромб или другая фигура. Непрерывные волокна с сечением, отличным от круга, называют профильными. Они могут быть и также полыми, что способствует снижению плотности армированного композита.
По структуре же их классифицируют на четыре группы: непрерывные однонаправленные, тканевые, нетканые, объемного плетения. Придавая наполнителям различную структуру и фиксируя ее, помимо первичных крученых нитей, лент, можно получать разные виды усиливающих наполнителей: сетка, пленка, холст и другие.
Рассмотрим в качестве примера такой популярный волокнистый наполнитель, используемый для армирования, как стекловолокно.
Некоторые распространенные волокнистые материалы: свойство и применение ↑
Большое распространение получили плиты ДВП. В процессе их производства резаная масса из древесины проходит через специально конструированные размалывающие диски, в результате появляются тончайшие волокна (толщина – 0,1 мм). После смешения с клеем, их прессуют и закаливают при высокой температуре. В дальнейшем поверхность плит обычно шлифуют. Конструкция композита имеет определенные преимущества:
Бетоны. Номенклатура современных бетонов очень разнообразна и отличается по своим 
составам и свойствам. В их основе лежит традиционная цементная, как и выполненная из полимеров, эпоксида, полиэфира, акрила и другое. По своей прочности высокоэффективные бетоны приближаются к металлам. В последнее время распространение получили и декоративные.
Стеклопластики. Усиление волокнистого композита проводят, используя стеклянные волокна, 
которые формируют вытяжкой из находящегося в расплавленном состоянии неорганического стекла. Композиты отличает высокая прочность, низкая теплопроводность, высокие электроизоляционные характеристики, не препятствуют прохождению радиоволн. Стеклопластики используют в судостроении, радиоэлектронике, строительстве и т. д.
Пресспорошки (прессмассы). На сегодняшний день известно уже более 10000 типов 
композитных полимеров. Первый наполненный полимер, бакелит, был получен путем добавления под давлением пресс-порошка, в частности, древесной муки в частично отвержденный полимер. Таким образом хрупкое вещество невысокой прочности необратимо затвердевает в форме и приобретает повышенную прочность. Чаще всего в качестве наполнителя используют древесную муку, каолин, тальк, мел, слюду, сажу, базальтовое и стекловолокно и другое.
Впервые изделие, произведенное по этой технологии, ручку переключателя скоростей, было использовано в автомобилях «Роллс-Ройс».
Сегодня наполненные полимеры находят применение в различных областях.
Композиционные материалы
1. Композиционные или композитные материалы – материалы будущего.
После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много разпревышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. Упервых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.
Композиционный материал – конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы ввиде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемымизначениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.
2. Типы композиционных материалов.
2.1. Композиционные материалы с металлической матрицей.
Композитные материалы или композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.
2.2. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная.
Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ейформу. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов,нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов,их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.
Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.
Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон,тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.
По виду упрочнителя композитные материалы классифицируют настекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты иоргановолокниты.
В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слоисобираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работыматериала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можносоздать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.
Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.
Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей.
Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.
Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивлениесдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях.
Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трех направленных.
3. Классификация композиционных материалов.
3.1. Волокнистые композиционные материалы.
Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму,по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.
Композитые материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 – 10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.
Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокондолжны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.
Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.
Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модульупругости. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.
Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.
Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных ивысокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбидабора и др.
Композиционные материалы на металлической основе обладают высокойпрочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность кконцентраторам напряжения.
Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения.
Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, доборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.
Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.
3.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.
В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом,несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.
Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице.
Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об. %.
Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов иредкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяетсохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Т [pic]. В связи с этимтакие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненныекомпозиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.
Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП(спеченный алюминиевый порошок).
Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему покоррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкиестали при работе в интервале температур 250-500 °С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С составляет 45-55 МПа.
Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов.
Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2-3 об. % двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно твердыйраствор Ni + 20 % Cr, Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Cr и Mo. Широкое применениеполучили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель,упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni +20 % Cr, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительностивыдержки при данной температуре.
Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качественаполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствиевлияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатногосостава.
Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, сметаллической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и дажеволокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют дляизготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качествесвязующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпусаприборов и т. п.).
Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательносклеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.
Стекловолокниты могут работать при температурах от –60 до 200 °С, атакже в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки.
При старении в течение двух лет коэффициент старения К = 0,5-0,7.
Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Из них изготовляют детали высокой прочности, с арматурой и резьбой.
Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции,состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в видеуглеродных волокон (карбоволокон).
Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительнойсредах до 2200 °С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим
(низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержаниюкарбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6-2,5 раза. Применяется вискеризациянитевидных кристаллов TiO[pic], AlN и Si[pic]N[pic], что дает увеличениемежслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.
Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).
Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненные углероднойлентой, и КМУ-1у на жгуте, висскеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200 °С.
Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-2л получают наэпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать притемпературе до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и
КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до
300 °С.
Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическимсопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и оченьнизкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращаетсаморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химическистойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения [pic] и Епочти не изменяются.
Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянныеволокна, что удешевляет материал.
3.5. Карбоволокниты с углеродной матриццей.
Коксованные материалы получают из обычных полимерныхкарбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительнойатмосфере. При температуре 800-1500 °С образуются карбонизированные, при 2500-3000 °С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродныхматериалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь,в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенномрежиме (температуре 1100 °С и остаточном давлении 2660 Па) метанразлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнахупрочнителя, связывая их.
Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочностьсцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материалобладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью ктермическому удару.
Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениямпрочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит специальные графиты;при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200
°С, на воздухе окисляется при 450 °С и требует защитного покрытия.
Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другомувысок (0,35-0,45), а износ мал (0,7-1 мкм на тормажение).
Бороволокниты представляют собой композиции из полимерногосвязующего и упрочнителя – борных волокон.
Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге исрезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости,теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борныхволокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела сматрицей.
Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексныеборостеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаютсястеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитейоблегчает технологический процесс изготовления материала.
В качестве матриц для получения боровлокнитов используютмодифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и
КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать притемпературе не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.
Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, онистойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.
Органоволокниты представляют собой композиционные материалы,состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в видесинтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительновысокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действиизнакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетическихволокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; онималочувствительны к повреждениям.
К органоволокнитах значения модуля упругости и температурныхкоэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки.
Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическоевзаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористось непревышает 1-3 % (в других материалах 10-20 %). Отсюда стабильностьмеханических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур,действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая (400-700кДж/мІ). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочностьпри сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).
Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажномтропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводностьнизкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать притемпературе 100-150 °С, а на основе полиимидного связующего иполиоксадиазольных волокон – при температуре 200-300 °С.
В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнамиприменяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такиематериалы обладают большей прочностью и жесткостью.
4. Экономическая эффективность применения композиционных материалов.
Области применения композиционных материалов не ограничены. Ониприменяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки,лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора итурбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкцийаппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов,бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, деталикомбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементысборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областяхнародного хозяйства.
Применение композиционных материалов обеспечивает новыйкачественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических итранспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.
Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционныхматериалов достаточно хорошо отработана.
Композитные материалы с неметаллической матрицей, а именнополимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузовагоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники,панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульныекарбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники,аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании идругом.
Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типыграфитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов,химически стойкой аппаратуры.
Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космическойтехнике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов итрансмиссионные валы вертолетов и т. д.).
Органоволокниты применяют в качестве изоляционного иконструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационнойтехнике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов,покрытия корпусов судов и другое.
Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на
Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на
Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий