close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1591.Композиционные материалы и их применение в промышленности

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Учебное пособие
Рекомендовано учебно-методическим советом УГАЭС
Уфа - 2007
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 669.1(075)
ББК 30.37я73
Т 41
Рецензенты:
Биккулов А.З., д-р техн. наук, профессор,
Шапиро С.В., д-р физ.-мат. наук, профессор
Тимофеева М.Ю., Доломатов М.Ю.
Композиционные материалы и их применение в промышленности:
Учебное пособие / М.Ю. Тимофеева, М.Ю Доломатов. – Уфа: Уфимская государственная академия экономики и сервиса, 2007. – 61 с.
ISBN 5–88469–349–4
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 240202.65 Химическая технология и оборудование отделочного
производства, 260904.65 Технология кожи и меха, 260703.65 Проектирование
текстильных изделий, 260901.65 Технология швейных изделий, 260902.65
Конструирование швейных изделий.
ISBN 5–88469–349–4
© М.Ю. Тимофеева,
М.Ю. Доломатов, 2007
© Уфимская государственная академия
экономики и сервиса, 2007
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
5
1. Классификация композиционных материалов
8
2. Основные виды полимерных матриц
20
3. Волокнистые армирующие наполнители
3.1. Углеродные волокна
3.2. Борные волокна
3.3. Стеклянные волокна
3.4. Нитевидные монокристаллы
3.5. Органические волокна
29
29
33
34
38
38
4. Свойства и области применения композиционных материалов
4.1. Композиционные материалы с волокнистой армирующей
основой
4.2. Композиционные материалы на битум – полимерной основе
4.3. Изготовление изделий из биметаллических материалов
40
Список литературы
56
Приложение. Словарь основных терминов и понятий
58
3
40
47
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основные условные обозначения, принятые в пособии:
a – ударная вязкость;
C – удельная теплоемкость;
D – диэлектрическая проницаемость;
d – диаметр;
E – модуль Юнга;
F – площадь сечения;
f – частота колебаний;
G – модуль сдвига;
ℓ – длина;
Q – масса;
S – площадь поверхности;
T – температура;
V – содержание компонента;
υ – коэффициент вариации;
α – коэффициент линейного термического расширения;
ρ – плотность;
έ – относительная деформация при растяжении, сжатии;
μ – коэффициент трения;
λ – удельное электрическое сопротивление;
ν – коэффициент Пуассона;
ρν – удельное объемное электрическое сопротивление;
σ – нормальное напряжение;
Θ – логарифмический декремент затухания;
ВК – вискозная кордная нить;
УВ – углеродные волокна;
ПКМ – полимерные композиционные материалы;
КМ – композиционные материалы.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
В прошлом веке впервые в истории человечества появилась реальная
возможность промышленного производства композиционных материалов
(КМ) с заранее заданными свойствами. Эта возможность связана с созданием,
развитием и непрерывным улучшением КМ или композитов, как все чаще
называют эти материалы в мировой научной литературе. Композиты возникли
как естественная реакция на потребности современной техники. В основе лежит уникальная по простоте идея армирования, когда соединяют разные по
свойствам материалы, один из которых является матрицей, как правило, более
мягкой и податливой, и более прочная жесткая арматура. Идея получения КМ
была заимствована у природы, ведь стебли и листья растений, кости людей и
животных – это армированные волокнами анизотропные материалы, т.е. композиты. Важно подчеркнуть, что идея армирования глубже, чем просто прочность и технологичность. Это еще и повышение надежности материала во
время его эксплуатации.
Развитие современной техники невозможно без создания новых композиционных материалов с уникальными механическими и физическими свойствами. Данные свойства должны гарантировать применение этих материалов
в различных чаще всего экстремальных условиях (например, при высоких
температурах, больших сдвиговых деформациях, в условиях воздействия вакуума и т.д.). Такое применение представляется возможным, так как при получении новых материалов их свойствами можно управлять.
КМ известны с древнейшего периода развития цивилизации. То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких
материалов, было известно с древнейших времен. Одно из самых древних, по
всей видимости, описаний изготовления композиционного материала приводится в Ветхом Завете (Исход, гл. 5): Существуют примеры того, как древние
строители удачно совмещали разнородные вещества, чтобы они совместными
усилиями противодействовали разрушению материала. Для увеличения прочности и жесткости мягких и хрупких материалов в них добавляли волокна: солому в глину, конский волос в штукатурку, нити бумажной основы в гипс, волокна асбеста в фосфатный цемент. Добавки волокон предотвращают или затрудняют развитие трещин, вызывающих разрушение материала (при напряжениях гораздо ниже теоретических). Аборигены Южной Америки добавляли
в глину растительные волокна, благодаря чему керамические изделия не растрескивались при сушке. Египтяне, изготовляя кирпичи, примешивали к исходной массе рубленую солому. Строители Вавилона при сооружении жилищ
укрепляли глину тростником, а мастера Древнего Рима железными прутьями
упрочняли (т.е. армировали) мраморные колонны при постройке дворцов и
храмов. Русские зодчие Барма и Постник в 16 веке при возведении храма Василия Блаженного в Москве использовали каменные плиты, армированные
железными полосками [1].
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
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 18 в. (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины 20 в. Из папьемаше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.
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.), которые выдерживают 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 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.
Сегодня композиты пришли на смену однородным (гомогенным материалам) при изготовлении различных механизмов и машин. 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.
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.
Наиболее широкое распространение получили волокнистые композиционные
материалы, армированные непрерывными волокнами, которые могут быть соединены в своеобразную ткань, жгуты, сетку или какой-либо иной каркас, в
зависимости от формы и назначения будущего изделия. Важное значение при
этом имеет технологический фактор: волокна в каркасах производимых изде6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лий можно располагать таким образом, чтобы они соответствовали направлению, характеру и величине тех нагрузок, которым предстоит воздействовать
на деталь в процессе эксплуатации.
Изобретения новых КМ имеют большое практическое значение. Везде,
где это только экономически выгодно, металлические детали заменяют деталями из композиционных материалов.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
И все же что такое композиционные материалы? На этот вопрос существует большое количество ответов. Химическая энциклопедия приводит следующее определение:
Композиционные материалы – композиты (от латинского compositio –
составление), многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной или другой матрицы (основы) и наполнителей различной природы (волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и
др.). Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего),
их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств [2].
Существует и другие определения композиционного материала, некоторые из которых приводятся ниже.
Композиционными называют такие материалы, которые состоят из двух
или более материалов или из двух или более фаз и обладают лучшими характеристиками, чем простые однородные материалы [3].
В настоящее время наиболее полным является определение [4], в соответствии, с которым композиционными называются материалы, обладающие
следующей совокупностью признаков:
- состав, форма и распределение компонентов материала заданы
заранее;
- материалы, которые чаще всего не встречаются в природе, а являются созданием человека;
- материал состоит из двух или более компонентов, разделенных
выраженной межфазной границей раздела;
- каждый из компонентов вносит свой вклад в свойства КМ;
- материал обладает такими свойствами, которых не имеют его
компоненты, взятые в отдельности;
- материал является неоднородным в микромасштабе и однородным в макромасштабе.
Первоначально поиски наилучшего материала велись среди уже известных материалов. Однако в настоящее время можно целенаправленно конструировать новые материалы.
В области металлургии началу конструирования новых материалов
предшествовали открытия кристаллического строения металлов и способа
производства практически чистых материалов, на основе которых стало возможным развивать теорию твердых тел, теорию пластичности, теорию дислокаций, и подтвердить их экспериментально. Сегодня на этой основе стало возможным создание новых сплавов.
Улучшить механическую прочность металлов можно пластической деформацией, введением более прочных, чем матрица, волокон. Дисперсионно
упрочненные и армированные волокнами металлы можно причислить к композиционным материалам.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Новейшим и более перспективным способом является упрочнение введением волокон в матрицу, способную воспринимать внешние нагрузки.
Традиционной структурой композиционного материала является слоистая, когда траектория армирования лежит в плоскости слоев, связь между которыми осуществляется через прослойки связующего. При использовании в
качестве арматуры обычных однослойных тканей получаются композиционные материалы со слоистой структурой (текстолиты). Возможны различные
комбинации структур: ткань может быть уложена так, что направления основы
во всех слоях совпадают или между направлениями смежных слоев образуется
некоторый заданный угол, кроме того, угол укладки и число слоев по толщине
материала могут изменяться. В зависимости от этого можно выделить три основных вида слоистых структур: симметричные, антисимметричные и несимметричные. Однако все большее внимание привлекают к себе композиционные материалы с пространственным расположением матрицы. Введение пространственного каркаса не только ликвидирует такой недостаток слоистых материалов как опасность расслоения, но и локализует распространение трещин.
Благодаря этому резко повышается несущая способность материалов в толстостенных конструкциях, особенно в зонах приложения сосредоточенных нагрузок при нестационарных силовых и температурных воздействиях, характерных
для современной техники.
Дальнейшее внедрение композиционных материалов во все новые области и дальнейшая их разработка непрерывно расширяет их ассортимент, номенклатуру. Такое многообразие требует четкой классификации [5].
КМ могут классифицироваться по различным признакам. При этом сразу
же стоит оговориться, что некоторые приведенные ниже классификации могут
оказаться весьма условными.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Композиционные материалы
По назначнению
Силовые
По способу
армирования
По материалу матрицы
По виду
наполнителя
По изготовлению
наполнителя
Ориентированное армирование
На основе термореактивных смол
Стохастическое армирование
На основе термопластов
По симметричности
структуры
Несиловые
Специальные
Рис.1. Классификация композиционных материалов
В основу классификации КМ [6] закладываются общие принципы: материаловедческий – по типу наполнителя или связующего (матрицы) и их свойствам; конструкционный – по способу расположения наполнителя (укладке) в
матрице; технологический – по способу переработки в изделия.
Одна из таких классификаций [5] предлагает подразделять композиционные материалы по назначению, по способу армирования, по материалу матрицы, по виду наполнителя, по изготовлению наполнителя, по симметрии
структуры.
По назначению с точки зрения механики композиционные материалы
разделяются на силовые, несиловые и специальные. Основное назначение силовых конструкционных материалов – нести механические нагрузки.
Несиловые композиционные материалы обычно несут незначительные
механические нагрузки. Возникающие в них напряжения крайне малы по
сравнению с разрушающими. Все шире применяются композиционные материалы специальных назначений, механические свойства которых могут быть и
второстепенными.
По способу армирования композиционные материалы можно разделить
на два вида: с ориентированным армированием, когда армирующие элементы
располагаются в строго определенном порядке, и стохастическим (случайным), когда армирующие элементы располагаются произвольно.
По материалу матрицы композиционные материалы могут быть на основе термореактивных смол и термопластичных полимеров.
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По виду изготовления наполнителя композиционные материалы классифицируются в зависимости от того, каким образом выполнены из данного материала армирующие элементы. Наиболее распространенным видом наполнителя является тонкое волокно (из стекла, базальта, бора, графита, металла,
хлопка, синтетических полимеров), которое может использоваться для армирования. Наряду с волокнами используются дисперсные наполнители, которые
могут представлять собой короткие волокна, чешуйки, порошки и другие частицы.
По симметрии структуры композиционные материалы подразделяются в
зависимости от вида анизотропии.
Согласно приведенной выше классификации можно считать, что физикомеханические свойства композиционных материалов, прежде всего, определяются типом и свойствами наполнителя, распределенного в полимерной или
другой матрице, а также характером его распределения.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1
Классификация композиционных материалов в зависимости от типа исходных компонентов и их комбинаций
Наполнитель
2
Неметаллические
неорганические материалы
Металлические материалы
1
Матрица
Керамика
Металлические
материалы
Неметаллические неорганические материалы
Керамика
Цементы, беДревесина
тоны
4
5
6
Органические материалы
7
8
Армированные
неметаллическими волокнами металлы, биметаллические материалы
АрмированЖелезобетон
ные керамическими волокнами металлы,
армированное
стекло, металлокерамика
Шинный
корд,
амортизирующие
материалы.
Армированные
керамическими
волокнами металлы и сверхтвердые сплавы
Армированные керамическими волокнами керамика, керамические шлифовальные круги, фарфор
Армированные
металлическими
волокнами
пластмассы, армированные сеткой гофрированные листы, алюминийполиэтиленовые
листы,
дисперснонаполненные
пластмассы
Армированные
волокнами
пластмассы, дисперснонаполненные
пластмассы
3
Армированный стеклянный бетон
12
Пластмассы
Резина
Шинный корд,
слоистое стекло
Другие материалы
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Неметаллические неорганические материалы
1
2
3
Органические материалы
5
6
Цементы,
бетоны
Другие материалы
Асбобетоны, асбоцементные плиты
Самосмазывающиеся металлы
Древесина
Органические
материалы
4
Пластмассы
Асбоцементные плиты
Гипсовые
плиты,
древесноцементные плиты
Самосмазывающиеся металлы,
алюмийполиэтиленовые листы
Декоративные
плиты,
древесные
пластики
Резины
Другие материалы
13
7
Продолжение таблицы 1
8
9
Полимербетоны
Латексные клеи
Полимеры,
наполненные
гипсом, фрикционные материалы
Декоративные
плиты, древесные
пластики, наполненные
пластмассы
Многослойные
пленки, трехслойные плиты,
синтетическая
кожа
Сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола, сополимеры
акриловой кислоты
Акрилонитрила и
стирола
Армированные
волокнами
пластмассы, пенопласты
Резины, наполненные сажей
Шинный корд,
армированные
покрытия
Кожа
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приведем еще одну классификацию КМ в зависимости от типа исходных
компонентов (таблица 1).
Для полной характеристики композиционного материала необходимо
указывать природу каждого из его компонентов. КМ можно разделить на три
группы – однонаправленные, слоистые и пространственно – армированные.
Наибольшее распространение находят последние две группы.
Слоистые структуры образуются последовательной укладкой слоев
(наполнителя) в одной плоскости. Варьируя направлением укладки слоев,
можно получать слоистые материалы с различной ориентацией армирующих
волокон, обладающие в плоскости укладки изотропными и анизотропными
свойствами. Именно в возможности придания материалу оптимальной для
каждого частного случая анизотропии заключается главное преимущество волокнистых композиционных материалов.
Слоистые материалы могут быть получены армированием пленками,
тканями или нитями.
Пространственно – армированные материалы. В зависимости от способа образования пространственных связей композиционные материалы можно
разделить на четыре группы.
К первой группе относятся материалы, пространственные связи, в которых образуются за счет искривления всех или части волокон и других армирующих материалов одного из направлений.
Ко второй группе относятся материалы, пространственные связи которых создаются за счет введения волокон третьего направления.
К третьей группе относятся материалы, пространственные связи, в которых создаются системой n нитей. Часть нитей имеет расположение в трех
направлениях, а часть располагается под углом в плоскостях.
Четвертую группу составляют материалы, пространственные связи, в которых создаются нитевидными кристаллами или другими дискретными элементами, образующимися вследствие предварительной термообработки матрицы или другими технологическими приемами.
В качестве наполнителя для изготовления пространственно – армированных материалов широко применяют обычные и высокомодульные волокна.
Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их
применение в различных областях дает значительный экономический эффект.
Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной
техники позволяет сэкономить от 5 до 30 % веса летательного аппарата. А
снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на
1 кг приводит к экономии 1000 $. В качестве наполнителей ПКМ используется
множество различных веществ.
Стеклопластики – полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.),
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.).
Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они
прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце
второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно
вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой
матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала
служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание
волокон во многих стеклопластиках достигает 80 % по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.
Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.
Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах служат
углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных
и каменноугольных пеков и т.д. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков
– чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными
преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является
их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень
легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все
углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько
ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации,
ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.
На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углепластики), способные долго выдерживать в инертных или
восстановительных средах температуры до 3000 °С. Существует несколько
способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные
волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000 °С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и
более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения
углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образую15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в
полтора раза. Из углепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной
техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных
самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.
Боропластики – композиционные материалы, содержащие в качестве
наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную
матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде
жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых
борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости
нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению
с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным
условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30 % стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы,
поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.
Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным
нагрузкам в условиях агрессивной среды.
Органопластики – композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а
также полиимиды. Материал содержит 40–70 % наполнителя. Содержание
наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров (полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п.) варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70 %. Органопластики обладают низкой плотностью, высоким
сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, относительно высокой
прочностью при растяжении, низкой прочностью при сжатии и изгибе. Они
легче стекло- и углепластиков.
Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика
играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных
кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Органопластики находят широкое применение в авто -, судо -, машиностроении, авиа - и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.
Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости
материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H. Baekeland, США),
открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформальдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности,
древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и
наполнителя – пресс-порошок – под давлением необратимо затвердевает в
форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916,
это – ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные
термореактивные полимеры широко используются по сей день.
Сейчас применяются разнообразные наполнители как термореактивных,
так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина)
дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность
окрашивать материал. Применяют для изготовления жестких и эластичных
поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции,
облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно
увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа
больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют
органические наполнители – древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.
Текстолиты – слоистые пластики, армированные тканями из различных
волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных
столов – трудно переоценить.
Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из
них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В
качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон –
хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых
и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании
композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий,
магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности.
Свойства дисперсно-упрочненных металлических композитов изотропны – одинаковы во всех направлениях. Добавление 5–10 % армирующих
наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к
повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава
способны к длительной работе, с 1000 °С до 1200 °С. Дисперсно-упрочненные
металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии.
Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла.
Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450–500 °С, вместо 250–300 °С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не
допускают пластическую деформацию материала, что создает значительные
технологические трудности при изготовлении изделий, тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами
металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и т.д.
В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами («усами»). Армирование «усами» позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел
текучести композита из серебра, содержащего 24 % «усов» оксида алюминия,
в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2 раза – других композиционных материалов на основе серебра. Армирование «усами» оксида алюминия
материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность
при температуре 1650 °С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет.
Композиционные материалы на основе керамики. Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако,
ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам – материал меньше растрескивается при нагрева18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нии, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от
соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.
Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из
высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру
электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твердые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники – это
тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана,
фрикционные материалы для тормозных устройств и т.д.
Керамические КМ получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного
литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после
сушки также подвергается спеканию).
Основными компонентами полимерных композиционных материалов
(ПКМ) на основе волокнистых материалов являются полимерные матрицы и
волокнистые наполнители.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПОЛИМЕРНЫХ МАТРИЦ
Матрицами (связующими) для волокнистых полимерных композитов
служат различные термореактивные (отверждающиеся) и термопластичные
полимеры. Природа матрицы определяет уровень рабочих температур композита, характер изменения его свойств в условиях температурного и атмосферного воздействия, а также технологические приемы и режимы получения и переработки материалов в изделия. Матрица придает КМ ударопрочность. Хотя
волокна и характеризуются хорошей прочностью на разрыв, но их прочность
на сжатие при этом катастрофически мала. Это значит, что волокна ломаются,
если их сдавить, а матрица придает КМ прочность на сжатие. Поэтому к полимерной матрице предъявляется, наряду с требованиями высоких механических
характеристик, ряд специальных требований, таких как термостойкость, химическая стойкость, негорючесть, нетоксичность и т.п. По структурной организации матрицы представляют собой полимеры либо линейного, либо пространственного – сетчатого строения. Последние получили наибольшее распространение как связующие для композитов конструкционного назначения.
Для получения матриц пространственно-сетчатого строения в качестве
исходных веществ используют мономеры или олигомеры, реже – уже готовые
растворимые или легкоплавкие высокомолекулярные соединения, обладающие
низкой вязкостью, что обеспечивает их совмещение с волокнами. Образование
из этих продуктов густосетчатых жестких полимеров в результате химических
реакций (процесс отверждения) может протекать по поликонденсационному
механизму или путем сшивания уже готовых молекул. В зависимости от механизма реакция отверждения может вызываться действием тепла, различного
рода излучений, инициаторов, катализаторов и отвердителей. Химическая реакция отверждения сопровождается тепловым эффектом, объемной усадкой, а
в ряде случаев выделением летучих низкомолекулярных веществ. Скорость и
глубину отверждения (густоту полимерной сетки) можно регулировать подбором отвердителя, катализатора и изменением температуры и длительности реакции. Состав связующих, как правило, является достаточно сложным, кроме
основного вещества в него входят различные модифицирующие добавки,
обеспечивающие реализацию в композите требуемых технологических и эксплуатационных свойств, отвердители, катализаторы, растворители и т.п.
Свойства отвержденных связующих определяются их химической и физической структурой. Химическая структура полимерной сетки зависит от состава компонентов связующего и формируется в процессе его отверждения. В
большинстве случаев отвержденные связующие аморфны и имеют гетерогенную структуру, что связано с разделением фаз при переходе связующих из
жидкого состояния в твердое или вследствие несовместимости полимерных
цепей различной природы.
В производстве композитов наиболее широко используют отверждающиеся связующие на основе ненасыщенных сложных эфиров, эпоксидные связующие, фенолформальдегидные смолы, а также связующие на основе N20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гетероциклических олигомеров (полибензимидазолы, полиамиды и др.). В
таблице 2 приведены механические свойства отвержденных полимерных матриц.
Полиэфирные связующие на основе сложных эфиров являются в настоящее время наиболее распространенными связующими для стекловолокнитов.
Таблица 2
Свойства связующих
Показатели свойств
Разрушающее
напряжение
при растяжении, МПа
Разрушающее напряжение,
при сжатии, МПа
Разрушающее напряжение,
при изгибе, МПа
Относительное
удлинение
при разрыве, %
Ударная вязкость, кДж/м2
Рабочая температура длительной эксплуатации, К
Полиэфирные
Тип связующих
ФенолПолиформальамидные
дегидные
Эпоксидные
25–45
40–70
90–95
50–140
50–130
100–125
250–280
100–180
30–110
70–110
80–140
60–150
0,5–1,2
0,4–0,8
1,0–2,5
2–10
2–8
2–10
4–12
7–20
328–343
413–453
215–380
343–473
Достоинством полиэфирных связующих является возможность в широких пределах регулировать скорость и температуру отверждения. Существенной проблемой остается повышение показателей их механических характеристик, атмосферостойкости, термостойкости и огнестойкости, по которым они
уступают эпоксидным и фенолформальдегидным связующим. Температура
длительной эксплуатации полиэфирных композитов не превышает 390 К.
Среди связующих, отверждающихся по поликонденсационному механизму, фенолформальдегидные смолы занимают одно из первых мест. Эти
связующие нашли применение в производстве стекловолокнитов электроизоляционного и теплозащитного назначения, а также при получении некоторых
карбоволокнитов. Фенолформальдегидные смолы (резольные и новолачные)
представляют собой сложную смесь продуктов поликонденсации фенолов с
формальдегидом. Отверждение фенольных смол резольного типа происходит
при нагревании в результате взаимодействия метилольных групп между собой
и с атомами водорода в орто - и параположениях и сопровождается выделением воды и формальдегида. Для снижения напряженности фенолформальдегидных смол в их состав вводят полимерные эластификаторы, например, поливинилбутираль.
Свойства фенолформальдегидных связующих также приведены в таблице 2. Преимуществом фенолформальдегидных смол по сравнению с поли21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
эфирными является их высокая огнестойкость и термостойкость. Температура
длительной эксплуатации – до 500 К.
Связующие на основе ароматических получили распространение для
производства стекло - органно - бороволокнитов, работающих длительно в
условиях высоких температур – до 600 К.
Эти материалы обладают высокой атмосферостойкостью, химической
стойкостью, самозатухаемостью. Существенным недостатком этого типа связующих являются высокие температуры отверждения (500–650 К).
При изготовлении конструкционных карбо - боро - и стекловолокнитов
широкое распространение получили эпоксидные связующие.
Основным видом эпоксидных смол является диановые смолы на основе
бисфенола А, а также О - или N-глицидиловые эфиры, циклоалифатические и
эпоксиноволачные смолы, модифицированные продуктами поликонденсации
метилфенолов, анилином, n-аминофенолом и т.п. Отверждение эпоксидных
смол осуществляют полимеризацией эпоксидных групп путем присоединения
по гидроксильным группам с использованием катализаторов-отвердителей
(полифункциональных аминов, амидов или ангидридов кислот).
Термостойкость отвержденных связующих определяется типом ковалентных связей в сетчатом полимере и возрастает с введением в его структуру
стабильных циклов или сопряженных систем, а также с увеличением температуры вплоть до температуры деструкции прочностные свойства отвержденных
полимеров изменяются в большинстве случаев по линейному закону.
При нагревании происходит практически линейное понижение упругих
и прочностных характеристик эпоксидных связующих вплоть до температуры
стеклования, после чего возрастает температурный градиент понижения модулей упругости первого и второго ряда. С увеличением количества узлов полимерной сетки повышается температура стеклования полимера, и в процессе
нагревания наклон кривых регрессии упругих и прочностных характеристик
уменьшается. Длительное тепловое воздействие на отвержденные полимерные
связующие вызывает необратимые изменения химической структуры полимера вследствие протекания термических и термоокислительных деструктивных
процессов, сопровождающихся потерей массы и ухудшением свойств полимеров. Наиболее низкую термостойкость имеют связующие на основе ненасыщенных полиэфиров и диановых эпоксидных смол. Наличие в структуре полимеров сопряженных циклов резко увеличивает их термостойкость, поэтому
наиболее термостойкими среди полимерных связующих являются полиимидные и полибензимидазольные и т.п.
При понижении температуры до 77 К прочность и модуль упругости отвержденных связующих возрастает в 1,5–2 раза, а относительное удлинение
при разрыве падает. При дальнейшем понижении температуры эти характеристики практически не меняются, а коэффициент термического расширения
продолжает уменьшаться.
Среди термопластов наиболее разнообразно применение полиэтилена,
поливинилхлорида и полистирола, преимущественно в виде гомогенных или
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
эластифицированных материалов, реже газонаполненных и наполненных минеральными порошками или синтетическими органическими волокнами.
Полимерная матрица на основе полиэтилена легко формуются и свариваются в изделия сложных форм, они устойчивы к ударным и вибрационным
нагрузкам, химически стойки, отличаются высокими электроизоляционными
свойствами (диэлектрическая проницаемость 2,1–2,3) и низкой плотностью.
Изделия с повышенной прочностью и теплостойкостью получают из полиэтилена, наполненного коротким (до 3 мм) стекловолокном. При степени наполнения 20 % прочность при растяжении возрастает в 2,5 раза, при изгибе – в 2
раза, ударная вязкость – в 4 раза и теплостойкость – в 2,2 раза.
Жесткая полимерная матрица на основе поливинилхлорида – винипласт,
в том числе эластифицированный (ударопрочный), формуется значительно
труднее полиэтиленовых пластиков, но прочность ее к статическим нагрузкам
намного выше, ползучесть ниже и твердость выше. Более широкое применение
находит пластифицированный поливинилхлорид – пластикат. Он легко формуется и надежно сваривается, а требуемое сочетание в нем прочности, деформационной устойчивости и теплостойкости достигается подбором соотношения пластификатора и твердого наполнителя.
Полимерная матрица на основе полистирола формуются значительно
легче, чем из винипласта, их диэлектрические свойства близки к свойствам
полиэтиленовых полимерных матриц, они оптически прозрачны и по прочности к статическим нагрузкам мало уступают винипласту, но более хрупки, менее устойчивы к действию растворителей и горючи. Низкая ударная вязкость и
разрушение вследствие быстрого прорастания микротрещин – свойства, особенно характерные для полистирольных пластиков, устраняются наполнением
их эластомерами, т. е. полимерами или сополимерами с температурой стеклования ниже – 40 ºС. Эластифицированный (ударопрочный) полистирол наиболее высокого качества получают полимеризацией стирола на частицах бутадиен-стирольного или бутадиен-нитрильного латекса. Материал, названный
АБС, содержит около 15 % гель-фракции (блок- и привитые сополимеры полистирола и указанных сополимеров бутадиена), составляющей граничный
слой и соединяющей частицы эластомера с матрицей из полистирола. Морозостойкость материала ограничивает температура стеклования эластомера, теплостойкость – температура стеклования полистирола.
Теплостойкость перечисленных термопластов находится в пределах 60–
80 ºС, коэффициент термического расширения высок и составляет 1 · 10 -4, их
свойства резко изменяются при незначительном изменении температуры, деформационная устойчивость под нагрузкой низкая. Этих недостатков отчасти
лишены термопласты, относящиеся к группе иономеров, например сополимеры этилена, пропилена или стирола с мономерами, содержащими ионогенные
группы (обычно ненасыщенные карбоновые кислоты или их соли). Ниже температуры текучести благодаря взаимодействию ионогенных групп между макромолекулами создаются прочные физические связи, которые разрушаются
при размягчении полимера. В иономерах удачно сочетаются свойства термо23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пластов, благоприятные для формования изделий, со свойствами, характерными для сетчатых полимеров, т.е. с повышенной деформационной устойчивостью и жесткостью. Однако присутствие ионогенных групп в составе полимера понижает его диэлектрические свойства и влагостойкость.
Полимерные матрицы с более высокой теплостойкостью (100–130 ºС) и
менее резким изменением свойств с повышением температуры производят на
основе полипропилена, полиформальдегида, поликарбонатов, полиакрилатов,
полиамидов, особенно ароматических полиамидов. Быстро расширяется номенклатура изделий, изготавливаемых из поликарбонатов, в том числе наполненных стекловолокном. Для деталей, работающих в узлах трения, широко
применяются пластики из алифатических полиамидов, наполненных теплопроводящими материалами, например графитом.
Особенно высоки химическая стойкость, прочность к ударным нагрузкам и диэлектрические свойства пластиков на основе политетрафторэтилена и
сополимеров тетрафторэтилена. В материалах на основе полиуретанов удачно
сочетается износостойкость с морозостойкостью и длительной прочностью в
условиях знакопеременных нагрузок. Полиметилметакрилат используют для
изготовления оптически прозрачных атмосферостойких материалов. Объем
производства термопластов с повышенной теплостойкостью и органических
стекол составляет около 10 % общего объема всех полимеров, предназначенных для изготовления полимерных матриц.
Отвержденные реактопласты имеют более высокие, чем термопласты,
показатели по твердости, модулю упругости, теплостойкости, усталостной
прочности, более низкий коэффициент термического расширения; при этом
свойства отвержденных реактопластов не столь резко зависят от температуры.
Однако неспособность отвержденных реактопластов переходить в вязкотекучее состояние вынуждает проводить синтез полимера в несколько стадий.
Свойства некоторых видов КМ, имеющих в качестве полимерной матрицы
термопласты и реактопласты, приведены в таблице 3.
Теплофизические и электрические свойства полимерных матриц не значительно зависят от типа полимера. На электрические характеристики отвержденных связующих оказывает влияние концентрация полярных групп, наличие в составе низкомолекулярных веществ, остатков катализаторов. Растворителей и других примесей, снижающих диэлектрические свойства и электрическое сопротивление, особенно при нагревании.
Воздействие окружающей среды на отвержденные связующие связано с
сорбцией содержащихся в ней веществ, сопровождающейся пластифицированием, набуханием полимера, разрывами химических связей. Сорбируемая влага вызывает изменения механических и особенно электрических свойств. Количество сорбируемой влаги определяется полярностью звеньев, частотой узлов сетчатого полимера и пористостью. Большинство полимерных матриц отличается достаточно высокой атмосферо - и химической стойкостью, их водопоглощение за час составляет 0,08–0,4 %.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3
Свойства пластмасс
Основные компоненты
полимер
наполнитель
1
2
Полиэтилен
–
Поливинилхлорид
–
Полистирол
–
Полистирол
Эластомер
Полистирол
Стекловолокно
(l = 2–4 мм; 30 %
по массе)
–
Полиамид-6
Плот- Термо- Твердость, Модуль Ударная
ность, стойкость, Мн/м2
упругости вязкость,
3
2
г/см
ºС
(кгс/мм ) при рас- кДж/м2
тяжении,
Гн/м2
(кгс/мм2)
3
4
5
6
7
Термопласты
Не раз45–60
0,4–0,55
0,945 60–80
ру(4,5–6,0)
(40–55)
шается
130–160
3–4
1,38
60–70
100–120
(13–16) (300–400)
140–150
3–4
1,047 75–85
10–15
(14–15) (300–400)
110–120
1,8–2,5
1,03
70–80
25–35
(11–12) (180–250)
Разрушающее напряжение, Мн/м2
(кгс/мм2)
при разры- при сжатии при изгибе
ве
8
9
10
20–40
(2–4)
40–80
(4–8)
20–30 (2–3)
40–60
(4–6)
35–40
(3,5–4,0)
27–30
(2,7–3,0)
80–120
(8–12)
80–110
(8–11)
–
40–50 (4–5)
80–120
(8–12)
80–90 (8–9)
1,4
100–110
180–190
(18–19)
6,8–8
(680–800)
17–20
70–80
(7–8)
–
100–120
(10–12)
1,14
60–70
100–120
(10–12)
2,3–2,8
(230–280)
10–170
60–90
(6–9)
50–65
(5,0–6,5)
90–140
(9–14)
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение таблицы 3
1
Полиамид-6
2
Стекловолокно (l =
2–4 мм; 20 % по
массе)
Поликарбонат
-
3
4
5
6
7
8
9
10
1,35
120–130
200–250
(20–25)
8,4
(840)
20–40
180 (18)
180–200
(18–20)
200–280
(20–28)
1,2
110–130
Поликарбонат Стекловолокно (l =
2–4 мм)
1,42
50–75
(5–75)
80–90
(8–9)
80–85
(8–8,5)
100–110
(10–11)
80–100
(8–10)
140–150
(14–15)
30–50
(3–5)
–
–
40–50
(4–5)
40 –50
(4–5)
50–70
(5–7)
150
(15)
60–70
(6–7)
100–110
(10–11)
Отвержденная
–
фенол-формальдегидная
смола
То же
Древесная мука
(50 % по массе)
То же
Кварцевая мука
(50 % по массе)
То же
Асбестовое волокно (50 % по массе)
150–160
2,2–2,6
120–140
(15–16) (220–260)
250–280
6,5–7,5
200–220
90–110
(25–28) (650–750)
Реактопласты
110–130
220–250
(22–25)
1,4
100
200–240
(20–24)
1,9
150
–
1,85
200–250
–
3–4
(300–400)
3–4
7–8
4,0–4,5
(700–800)
8–10
3,0–3,5
(800–1000)
16–25
21
(1600–2500)
27
60–70 (6–7)
60–80 (6–8)
80 (8)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание таблицы 3
1
2
То же
Древесный шпон
(75 % по массе)
Отвержден–
ная эпоксидная смола
То же
Стекловолокно непрерывное однонаправленное (70 % по
массе)
То же
Стеклоткань (70 %
по массе)
То же
Углеродное волокно
непрерывное однонаправленное (60 %
по массе)
То же
Полибензимидазольное волокно непрерывное однонаправленное (60 % по
массе)
То же
Стекловолокно, хаотичное распределение (70 % по массе)
3
4
5
200–240
(20–24)
6
28
(2800)
1,3
125
1,27
2,1
–
160–180
(16–18)
3–3,5
(300–350)
160–180
–
50–56
1800–2000
100–140
(5000–5600)
(180–200)
1,79–
120–160
1,94
–
22–31
(2200–3100)
–
–
180–230
(18000–
23000)
–
120–150
(12000–
15000)
1,52
1,36
160–200
180–200
1,7–
1,85
28
7
8
250–280
(25–28)
9
160–180
(16–18)
10
260–280
(26–28)
60–70 (6–7)
–
–
1200–1400
(120–140)
2000–200
(200–220)
450–480
(45–48)
450–500
(45–50)
650–700
(65–70)
40–50
1000–1200
(100–120)
600–800
(60–80)
800–1000
(80–100)
–
200–250
(20–25)
300–350
(30–35)
500–600
(50–60)
130–180
(13–18)
100–130
(10–13)
240–300
(24–30)
80
–
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. ВОЛОКНИСТЫЕ АРМИРУЮЩИЕ НАПОЛНИТЕЛИ
Поведение композиционных материалов во многом определяется свойствами армирующих волокон. Широко распространенными материалами для
армирования современных композиционных материалов являются стеклянные,
углеродные, борные и органические волокна. На их основе разрабатываются
также многокомпонентные материалы, в которых используется различные типы волокон (например, сочетание органических и борных волокон, углеродных и стеклянных и другие комбинации).
3.1. Углеродные волокна
Углеродные волокна (УВ) – волокна, состоящие в основном из углерода.
Рассмотрим УВ, получаемые термической обработкой органических волокон,
хотя к УВ иногда относят также нитевидные кристаллы графита и волокна,
образующиеся при разложении углеводородов в газовой фазе с последующим
осаждением углерода на подложке. УВ, полученные из органических волокон,
подразделяют в зависимости от температуры обработки и содержания в них
углерода на частично карбонизованные (менее 900 0 С, 85–90 %), карбонизованные (900–1500 0С, 95–99 %) и графитированные (1500–3000 0С, более
99 %).
Помимо обычных органических волокон (химических и природных) для
получения УВ могут быть использованы фенолоформальдегидные волокна,
волокна из каменноугольных и нефтяных пеков, т.е. из веществ с большим содержанием углерода. УВ могут иметь разнообразную текстильную форму,
определяемую чаще всего формой исходного сырья (непрерывные нити, жгуты, ленты, войлок, ткани и др.). Возможно также переработка УВ в тканые и
нетканые материалы с использованием обычного текстильного оборудования.
Такая переработка имеет важное значение при создании комбинированных волокнистых армирующих наполнителей для пластмасс (например, ленты и ткани из углеродных волокон в сочетании со стеклянными и другими волокнами).
Волокна, предназначенные для переработки в УВ, должны удовлетворять следующим основным требованиям: не плавиться при термической обработке, давать высокий выход коксового остатка, обеспечивать получение углеродного волокна с высокими физико-механическими свойствами. Наибольшее
практическое применение для получения УВ нашли: полиакрилонитрильные
волокна (ПАН – волокно), пеки из ароматических высокомолекулярных углеродных фракций, волокна на основе целлюлозы. Перспективны исследования
по разработке способов получения УВ из фенольных смол.
Углеродные волокна получают обработкой органических волокон при
высокой температуре в инертной среде или вакууме. Процесс получения углеродных волокнистых материалов из полиакрилонитрильных волокон (ПАН-В)
состоит из трех стадий: окисление, карбонизация и графитация. Получение углеродных волокон из гидратцеллюлозных волокон включает стадии пиролиза,
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
карбонизации и графитации. Углеродные волокна на основе природных и синтетических белков и смол получают в две стадии: карбонизации и графитации.
С увеличением степени ориентации и температуры обработки в процессе
получения структура углеродного волокна приближается к структуре графита,
что сказывается на свойствах волокон – увеличивается плотность, модуль
упругости, электро- и теплопроводность.
В зависимости от механических свойств и назначения углеродных волокон, последние подразделяются на высокомодульные (Еа ›150 ГПа), предназначенные для армирования композитов конструкционного назначения, и низкомодульные (Еа ‹ 70 ГПа), предназначенных для армирования композитов
теплозащитного, антифрикционного и других специальных назначений.
Характер подготовки волокон зависит от вида сырья. В случае ВК производится удаление замасливателя в результате обработки волокна органическими растворителями или поверхностно – активными веществами. Для снижения потерь массы и ускорения химических превращений полимера перед
термообработкой в исходное ВК вводят антиперены, кислоты Льюиса, соли
переходных металлов и др.
ПАН волокна подвергают предварительной термоокислительной обработке в среде воздуха (температура 200–300 0С, продолжительность до 24 часов); при этом происходит циклизация полиакрилонитрила с образованием
фрагментов лестничной структуры.
Из нефтяного пека и фенольных смол в начале формируют волокна, которые для перевода в неплавкое состояние нагревают при повышенной температуре и окисляют кислородом воздуха. При использовании новолачных смол
свежесформированное волокно обрабатывают формальдегидом.
Основную стадию процесса получения УВ – карбонизацию (термическую обработку) осуществляют в инертной среде (азот; аргон и др.) в строго
контролируемых температурно-временных условиях. Наиболее сложная стадия процесса – низкотемпературная обработка, в ходе которой осуществляется
карбоциклизация полимера.
Процесс карбонизации включает большое число последовательных параллельных реакций, протекающих по гомолитическим и геторолитическим
механизмам. При этом в результате термодеструкции полимеров образуются
летучие и смолообразные продукты и углеродный остаток волокнистой формы. При правильно подобранных режимах карбонизации сохраняются морфологические особенности исходных волокон. Обычно карбонизацию осуществляют при медленном подъеме температуры. В случае ВК, например, продолжительность процесса составляет 8–200 часов, в случае ПАН волокна – 0,5–4,0
часа. Деструкция полимеров интенсивно протекает сравнительно узкой области температур (например, для ВК в области 523–573 К). Она сопровождается
потерей массы и усадкой волокон.
С увеличением температуры наблюдается ароматизация полимеров, образование конденсированных гексапанельных углеродных слоев, их рост и
упорядочение.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Модуль М*1000 кг.с/мм
Прочность и модуль упругости волокна на стадии термообработки, соответствующей интенсивной потере массы полимера, уменьшаются, а затем, с
момента начала образования углеродного скелета, начинают возрастать. Плотность волокна постепенно увеличивается.
Химические волокна, используемые для получения УВ, являются диэлектриками; во время карбонизации, особенно в интервале 573–1273 0К, электрическое сопротивление резко снижается и волокно приобретает полупроводниковые свойства.
Высокотемпературная обработка (графитация) осуществляется очень
быстро в течение нескольких минут. На этой стадии происходит дальнейшее
увеличение размеров кристаллитов, уменьшение межплоскостного расстояния
слоев, возрастание доли «кристаллической» фракции углерода, плотности и
электрической проводимости. Как правило, при этом улучшаются механические свойства, и снижается удельная поверхность волокна.
40
35
30
25
20
15
10
5
0
5
10
20
30
40
50
Вытяжка, %
Рис. 2. Зависимость прочности УВ от вытяжки
Важная операция в производстве УВ – вытяжка. В результате вытяжки
достигается ориентация плоскостей кристаллитов вдоль оси волокна, благодаря чему удается получить высокопрочные и высокомодульные волокна
(рис. 2). В зависимости от типа волокна вытяжку осуществляют на разных стадиях технологического процесса. В случае ПАН волокна эту операцию проводят на стадии подготовки волокон одновременно с термоокислительной деструкцией, в случае ВК, волокон из пеков и фенольных смол – на стадии карбонизации и графитации.
Известны два типа структур УВ. Волокна, полученные из ВК и ПАН волокон, построены из фибрилл, которые существуют в исходных волокнах и
сохраняются в УВ. Такие волокна анизотропны. УВ полученные из других видов сырья (например, из фенольных смол) изотропны, в них отсутствуют фибриллы. Эту форму углерода называют стеклоуглеродом. УВ содержит большое
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
число закрытых микропор с размерами, не превышающими 20–25 А, объем
которых может достигать 30 % объема волокна. Поры высокопрочных волокон
имеют цилиндрическую форму и ориентированы вдоль оси волокна.
В отличие от массивных образцов углерода вследствие специфической
формы (волокно) и структуры УВ присущи высокие физико-химические свойства. Углеродные волокна обладают прочными механическими свойствами.
Прочность волокнистых углеродных материалов изменяется в пределах от 3–
300 · 1011 Па. Вследствие низкой плотности углерода (1600–2000 кг/м3) эти волокна по удельным значениям прочности и модуля превосходят все жаростойкие волокна. Из-за сетчатой структуры углеродные волокна обладают исключительно высокой термо- и хемостойкостью. При повышении температуры
механические свойства не уменьшаются, а наоборот, возрастают:
Температура, К
293 713 1373 1923
Прочность, Па
0,9–2,9 1,1–3,2 1,4–4,3 1,8–6
Углеродные волокна стойки к органическим растворителям, щелочам и
кислотам, но недостаточно стойки к действию окислителей, в том числе к кислороду воздуха. Благодаря высокой теплостойкости углеродные материалы
широко применяются в качестве теплозащитных и теплоизоляционных
средств.
Основные свойства УВ приведены в таблице 3.1.
Введение углеродных волокон в полимеры значительно повышает их износоустойчивость, что может значительно увеличить срок службы изделий из
резины и пластмасс.
Наиболее эффективно использование УВ в авиастроении, где они обеспечивают снижение массы деталей фюзеляжа, крыла, оперения самолета на
15–50 %. УВ применяют для изготовления лопастей и трансмиссионных валов
вертолетов, элементов двигателей, для упрочнения металлических самолетных
конструкций (балок, стрингеров, труб).
Из УВ с повышенной термостойкостью изготавливают детали самолетов
скоростной реактивной авиации и космических летательных аппаратов.
Таблица 4
Свойства УВ
Показатели
Плотность, кг/м3
Коэффициент линейного расширения
• 106, К-6
Удельная теплоемкость, кДж/кгК
Удельное электрическое сопротивление, Вт/м • К
Удельное объемное электрическое
сопротивление, Ом • см
Фактор электрических потерь при
1010 Гц
Вид волокна
карбонизованное
графитированное
1300–1650
1300–1900
-2–4
-10–2
0,66
0,66
0,837–20,934
83,74–125,6
0,4–70
0,003–0,6
0,17–0,32
0,25–0,33
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Также УВ применяют для внешней теплозащиты возвращаемых космических аппаратов; для внутренней теплозащиты элементов ракетных двигателей (сопла, камеры сгорания); для изготовления тормозных дисков колес самолетов. УВ используют в судно – и автомобилестроении для упрочнения кузова гоночных машин, изготовлении гребных винтов, автомобильных шасси, а
также в качестве самосмазывающихся материалов для роликов колес и подшипников, в том числе работающих в агрессивных средах или при повышенных температурах.
3.2. Борные волокна
Борные волокна изготавливают путем восстановления водородом трихлорида бора или разложения бороводородов с одновременным осаждением
образующегося металлического бора на нагретую электрическим током тонкую подложку (обычно вольфрамовую проволоку).
Электрический ток подводится к проволоке с помощью ртутных контактов, которые служат и гидравлическими затворами газовой зоны реактора.
Проволока поступает в камеру очистки, затем – в зону дегазации и в реакционную камеру, насыщенную смесью треххлористого бора и водорода. На выходе из реактора с волокна снимаются продукты побочных реакций. В некоторых случаях поверхность волокна подвергают травлению в азотной кислоте
или растворе красной кровяной соли для устранения поверхностных дефектов,
снижающих его прочность. Основные свойства борных волокон приведены в
таблице 5.
Таблица 5
Свойства борных волокон диаметром 100 мкм
Показатели
Плотность, кг/м3
Разрушающее напряжение при растяжении, Мпа
Коэффициент вариации прочности при растяжении, %
Разрушающее напряжение при изгибе, Мпа
Модуль упругости, Гпа:
При растяжении
При сдвиге
Относительное удлинение при разрыве, %
Коэффициент Пуассона
Усталостная прочность при изгибе на базе 107 циклов
Длительный прочность при растяжении за 1000 ч
Коэффициент линейного термического расширения, К-1
33
Количественные
характеристики
2,6 • 103
2500–4000
12–25
6000–6500
385–430
160–180
0,6–1,0
0,2–0,25
(0,6–0,7)
(0,8–0,9)
(2,4–2,6) • 10-5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Большой диаметр борных волокон дает следующие преимущества:
1)простоту в обращении; 2) хорошее проникновение матрицы в межволоконное пространство вследствие малой удельной поверхности; 3) высокое сопротивление потере устойчивости при сжатии. Недостатком волокон большого
диаметра является их малая гибкость. Борные волокна применяют в основном
в сочетании с металлическими матрицами, в частности, с алюминиевыми.
3.3. Стеклянные волокна
Стеклянное волокно получило наибольшее распространение в производстве изделий из армированных стеклопластиков, прежде всего благодаря высоким механическим показателям, наличию неисчерпаемых сырьевых ресурсов [7].
Стекловолокнистые армирующие наполнители, используемые для производства стеклопластиков, весьма разнообразны как по виду, так и по химическому составу. Стеклянные волокна получают вытягиванием из расплавленной стекломассы через фильеры.
Механические свойства стеклянного волокна в сильной степени зависят
от среды, в которой они находятся. Стеклянные волокна, как правило, во
влажном воздухе и в воде разрушаются при напряжениях существенно меньших, чем при испытании. Поверхностные дефекты также оказывают решающее влияние на прочность стеклянного волокна.
По виду стекловолокнистые наполнители, полученные в результате переработки элементарного стеклянного волокна, целесообразно разделить на
две основные группы.
К первой следует отнести первичные нити (некрученые и крученые),
представляющие собой совокупность 100–200 одновременно вытягиваемых в
стеклопрядильном агрегате элементарных волокон, а также жгуты, полученные объединением первичных нитей (некрученые и крученые жгуты, лента
однонаправленная).
Другую группу составляют наполнители рулонного типа, т.е. различные
тканые и нетканые материалы, используемые в процессе намотки только для
формования изделий, поверхность которых разворачивается в плоскость.
Одним из условий эффективного использования стекловолокнистого
наполнителя в конструкциях силового назначения является одновременность
работы элементарных волокон. Некрученые нити и жгуты полнее сохраняют
исходную прочность элементарного стеклянного волокна и более приемлемы в
технологии намотки высокопрочных конструкций. В частности, некрученые
нити и жгуты позволяют реализовать в готовых изделиях 75–81 % прочности
элементарных волокон, крученые – 68–71 %. В тканях этот показатель снижается до 60 %.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6
Химический состав стекол для получения волокна (%)
Стекло
SiO2
B2O2
Al2O3+
Fe2O3
CaО
Mg
O
Na2O
Fe
Прочие оксиды
Отечественная рецептура
Алюмоборосиликатное
(АБС) 54
бесщелочное
Алюмомагнези71
альное щелочное
Титаносодержащее бесщелочное 52,5
Т-273
Стекло типа Е
Стекло типа S
55,2
63
Стекло типа М
53,7
10
14,5
16,5
4
0,5
0,5
–
–
3
8,5
2,5
15
–
–
–
18
15
4
0,5
–
TiO2(9)Ba
O(1)
0,3
–
0,4
–
–
–
–
ZrO2(4)
TiO2(8)
ZrO2(2)
Ceo2(3)
BeO(8)
Li2O(3)
Рецептуры США
7,3
14,8 17,7 4,3
–
23
–
10
–
0,5
12,8
9
По химическому составу стеклянные волокна, применяемые в отечественной и зарубежной промышленности стеклопластиков, достаточно близки
(табл. 6) [7].
Щелочные стеклянные волокна дешевле и технологичнее, однако, по
прочностным свойствам, химической стойкости и особенно при повышенных
температурах они значительно уступают бесщелочным (табл. 7). Различные
виды стекловолокнистых наполнителей, используемых в производстве изделий из армированных пластиков, характеризуются плотностью упаковки волокон и их взаимным расположением. Другой важной характеристикой нитей и
жгутов является разрывная нагрузка, определяющая среднюю прочность и допускаемые усилия при дальнейшей переработке.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 7
Свойства стеклянных волокон
Волокна
Показатели
Плотность, кг/м3
Разрушающее напряжение,
МПа
Модуль упругости, Гпа
Относительное
удлинение
при разрыве, %
Коэффициент термического
расширения 106, К-1
Температура размягчения, К
Алюминоборосиликатное Е
Магнезиальноалюминосиликатное S
2540
2490
2700
2210
3500
5000
320
6000
73
88
114
74
4,8
5,4
3,0
–
4,9
2,9
3,2
0,55
1020
1240
–
1843
Бериллийкальцийси- Кварцевое
ликатное М
Промышленностью производятся стеклянные нити, состоящие из 2–48
элементарных нитей, линейной плотностью от 12,5 до 286 текс. Для выработки
стеклотканей используются нити от 52 до 107,5 текс. Стеклянные ткани вырабатываются из крученых нитей и жгутов и различаются по характеру переплетения, плотности нитей на единицу длины и ширины, массе единицы площади,
а также некоторыми другими параметрами. В производстве жгутовых тканей
используется более грубое волокно, и линейная плотность жгутов варьируется
от 1670 до 5000 текс. Характеристика некоторых видов стеклотканей представлена в таблице 8 [7].
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 8
Характеристика стеклотканей, применяемых для изготовления конструкционных стеклопластиков
Ткань
Э-0,1
Т
Тупр
Т-11
Т-10
ТС-8/3-Т*
ТС-8/3-П**
ТСЖ-0,7
ТСЖ-0,56-0
МТБС-1,1
МТБС-2,1
МТБС-1,8
МТБС-2,5
Диаметр
волокна,
мкм
6+1
6+1
6+1
6+1
6+1
6+1
10–13
10+1
10+1
6+1
6+1
6+1
6+1
Толщина
ткани, мм
0,10
0,27
0,26
0,35
0,23
0,21
0,25
0,70
0,56
1,10
1,84
1,80
2,50
Масса
1 м2, г
105+15
285+15
285+15
380+10
290+7
290+7
250+10
–
700+50
1300+150
2100+100
1800+100
2900+100
Число нитей на 1 см
Основа
Уток
20
16
16
22
36
36
36
2
4
6
4,8
4,8
7,2
22
10
10
13
20
20
20
3
3
4,5
4,5
2,4
4
* Ткань из титаносодержащего стекловолокна
** Ткань из полого стекловолокна
37
Разрывная нагрузка
полоски шириной 25
мм, Н
основа
уток
300
1700
2000
1750
2700
2100
1900
2500
1500
15000
12500
10000
17000
300
1060
1300
1620
2500
1250
1000
3000
1250
11000
9000
6000
11000
Переплетение ткани
Полотняное
Полотняное
Полотняное
Сатиновое
Сатиновое
Сатиновое
Сатиновое
Полотняное
Полотняное
–
–
–
–
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.4. Нитевидные монокристаллы
Существующие методы получения нитевидных монокристаллов (усов)
тугоплавких соединений основаны на кристаллизации их из жидкой фазы
(расплава) или паровой фазы посредством разнообразных высокотемпературных химических реакций. Прочность нитевидных кристаллов очень высокая,
например, прочность кристаллов оксида алюминия достигает 2800 кгс/мм2,
карбида кремния – 3200, железа – 1300, кобальта – 600. В настоящее время
синтезированы монокристаллы более 100 различных соединений. Однако усы
практически невозможно получить в виде больших кристаллов. С увеличением
размера прочность нитевидных кристаллов уменьшается и приближается к
прочности обычных монокристаллов. Для практического применения
наибольший интерес представляют нитевидные кристаллы графита, оксидов
Аl2O3, ТiО2, карбидов SiC и В4С, нитридов Si3N4, AlN, для которых характерно
сочетание низкой плотности, высокой прочности и термостойкости.
Для армирования полимерных матриц нитевидные кристаллы применяют в виде ориентированной пряжи, изотропных структур – бумаг, картонов,
матов (где они расположены хаотично) или россыпью. В последнем случае
кристаллы вводят в межволоконное пространство композитов, армированных
непрерывными волокнами. Свойства некоторых типов нитевидных монокристаллов приведены в табл. 9.
Таблица 9
Свойства нитевидных монокристаллов
Свойства
Диаметр, мкм
Длина кристалла, мм
Разрушающее напряжение
при растяжении, Мпа
Модуль упругости. ГПа
ДиокНитрид
сид ти- алюмитана
ния
2,5
20,0
0,35
3,5
Карбид
кремния
3,4
7,0
ПироОксид
углерод алюминия
30,0
3,2
15,0
4
3160
3800
8200
540
12100
380
320
420
116
450
3.5. Органические волокна
Органические волокна получают формованием из концентрированных
растворов и расплавов соответствующего полимера через фильеры в осадительные ванны, где удаляется основная часть растворителя, после чего осуществляют ориентационную вытяжку свежесформованных волокон. Для изготовления органических волокон используют полимеры различных классов. В
настоящее время промышленное применение получили полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные, полипропиленовые, поливинилспиртовые,
вискозные волокна. Применение этих волокон для армирования композитов не
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
получило широкого применения по ряду причин: вследствие низкой прочности, низкой термостойкости, значительного удлинения или ползучести при
нагружении.
Однако за последние годы на основе ароматических полиамидов были
получены термостойкие арамидные волокна (кевлар, СВМ), обладающие исключительной высокой прочностью (до 5000 МПа) в сочетании с низкой плотностью (1450 кг/м3) и с высоким модулем упругости 110–160 ГПа, пригодные
для армирования полимеров[4].
Таблица 10
Свойства органических волокон
Волокна
Полиамидные (капрон)
Полиэфирные (лавсан)
РазруПлот- шающее Модуль
ность, напря- упругокг/м3
жение, сти, Гпа
МПа
1140
770–850
1380
480–620
Удлинение,
%
Влагопоглащение
(в %)
13–17
7–8,5
Температура
деструкции, К
490
14–15
0,5–0,7
520
22–25
0
430
Полипропиленовое
Полиакрилонитрильное (нитрон)
Поливинилспиртовое
(винол)
90
450–520
3,2–3,5
10,2–
11,0
4,6–5,0
1170
460–560
4,6–5,8
16–17
1,5–1,6
–
25,0
7–12
12–20
500
Арамидное (кевлар 49)
1450
110–160
1–4
1,5–4,0
600–
700
1260
600–
1000
2200–
2800
Датой их рождения можно считать 1971 год. Именно тогда американская
химическая компания «Дюпон» изготовила первые партии арамидных волокон
типа кевлар. Это позволяет изготавливать на их основе различные армирующие наполнители: нити, ткани различной структуры и т.д. Некоторые свойства
органических волокон приведены в табл. 10.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. СВОЙСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КМ
Органические волокна и материалы на их основе очень часто используются в производстве композиционных материалов технического назначения.
В качестве армирующего звена могут выступать различные виды тканей,
нетканых и текстильных материалов, а также трикотажные полотна технического назначения. Ткани, нетканые и другие текстильные материалы специального строения выпускаются под маркой технические. Трикотажные полотна не имеют таких различий, одной и той же структуры они могут быть техническими и бытовыми. Различие между ними заключается в сырьевом составе и
методах обработки этих полотен.
4.1. Композиционные материалы с волокнистой армирующей основой
Волокнистые композиционные материалы (ВКМ) обладают самой высокой прочностью из числа композиционных материалов. Если ВКМ растягивается в направлении, параллельном ориентации волокон, то в соответствии с
принципом совместного действия деформации в волокне и матрице будут равны. Поскольку материал пластичной матрицы легко деформируется (течет),
напряжения, действующие на волокна, неизмеримо больше напряжений в матрице. Разница столь велика, что вклад матрицы в прочность композиционного
материала можно считать пренебрежимо малым. Кроме того, разрушение части волокон в ВКМ не приводит к катастрофическим последствиям, так как
распространению трещины препятствует вязкая матрица. Объемная доля волокон изменяется в широких пределах – от нескольких процентов до 80–90 %.
Обычно в ВКМ содержится 60–80 % волокон. При объемной доле выше 80 %
свойства композиции обычно ухудшаются вследствие недостаточного смачивания волокон материалом матрицы и ухудшения сцепления волокон с матрицей.
Для армирования КМ используют непрерывные и дискретные волокна
диаметром от долей до сотен микрометров. Нагрузка на волокна передается
через матрицу посредством касательных напряжений. С увеличением длины
волокна повышается возникающее в нем напряжение. При определенной
длине lкр, названной критической, напряжение достигает максимального значения. Волокна длиной l > lкр называют непрерывными, если lкр < l, волокна
дискретные.
Отличительная особенность всех композитов – совершенно необычное
сочетание высокой прочности с легкостью и химической стойкостью. В созданных материалах должны проявляются лучшие свойства основы и наполнителя. В качестве простейшего примера, ставшего уже классическим, можно
назвать стеклопластик, где стеклянные нити утоплены в полимерной смоле.
Этот материал не горит, сохраняет прочность даже при сильном нагреве, не
боится воды, не набухает, стоек, не боится коррозии [1].
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Стеклопластики характеризуются неоднородностью механических и физических свойств, разнообразием структур, специфическим поведением материала под нагрузкой и под воздействием различных физических полей. По
своей структуре и физико-механическим свойствам стеклопластики можно
объединить в три основные группы.
1. Изотропные пластики. К этой группе относятся все стеклопластики,
полученные из рубленного стекловолокна, хаотически перемешенного со смолой, например, различные премиксы и др.
2. Трансверсально-изотропные стеклопластики. У этой группы свойства в плоскости слоев равнозначны, но отличаются перпендикулярно слоям.
К этой группе относят стеклопластики, полученные из изотропных слоев,
например из стеклохолста, у которого изотропия в слое образуется за счет хаотического расположения волокна.
3. Ортотропные стеклопластики. Они проявляют анизотропию физико-механических свойств во всех направлениях и имеют три оси симметрии. К
этой группе относят все стеклопластики на основе стеклотканей и ориентированных стекловолокон. Эти стеклопластики нашли наибольшее применение в
различных отраслях техники, из них изготавливают ответственные несущие
конструкции и детали.
В зависимости от типа армирующего материала, армированные волокнами пластмассы и металлы имеют различные свойства. Достоинства и недостатки таких материалов перечислены в таблице 11 [3].
Широко на сегодняшний день используются и углепластики, в качестве
упрочнителя здесь используются углеродные волокна. Свойства углепластиков поистине уникальны. У них превосходные прочностные характеристики,
они отличаются прекрасной радиационной стойкостью, высокой теплопроводностью и морозостойкостью, имеют низкий коэффициент термического расширения и регулируемые электрофизические характеристики. Благодаря своим уникальным свойствам углепластики нашли применение в самых различных отраслях техники, начиная от конструкционных элементов мостов и, кончая деталями медицинской аппаратуры для рентгеновских исследований [1].
Особенностью углепластиков является значительное разнообразие методов их
формирования и способов ориентации волокон.
Свойства изделий из углепластиков определяется типом используемого
углеродного волокна, типом полимерной матрицы и методом получения материала.
В настоящее время в качестве полимерной матрицы для изготовления
углепластиков в основном используют термореактивные смолы (или реактопласты).
Среди них, прежде всего, следует назвать эпоксидные смолы, обладающие хорошей адгезией к углеродным волокнам, высокими деформационнопрочностными характеристиками, теплостойкостью и другими ценными свойствами. Часто используют также ненасыщенные полиэфирные смолы, харак-
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
теризующиеся хорошими технологическими свойствами и атмосферостокостью (кроме того, они существенно дешевле эпоксидных смол).
Недостатки
Достоинства
Таблица 11
Достоинства и недостатки КМ, армированных волокнами
Пластмассы, армированные волокнами
1. Хороший внешний вид.
2. Возможность формирования
при комнатной температуре.
3. Высокая химическая и коррозийная стойкость.
4. Хорошие изолирующие свойства.
5. Возможность склеивания.
6. Прозрачность для электромагнитных волн.
7. Прозрачность для видимого
света.
8. Возможность одностадийного
формования изделий
1. Легко возникают дефекты на
поверхности.
2. Недостаточная
теплостойкость.
3. Недостаточная высокая усталостная прочность.
4. Недостаточно высокая прочность при межслоевом сдвиге.
5. Продолжительный цикл формирования.
Металлы, армированные волокнами
1. Хорошая поверхность и твердость.
2. Возможность экструзии, вытяжки и других методов переработки.
3. Высокая атмосферостойкость.
4. Высокие электро- и теплопроводность.
5. Возможность
диффузионной
сварки.
6. Высокая прочность при межслоевом сдвиге.
7. Высокая прочность в поперечном направлении.
8. Высокая теплостойкость.
1. Высокие температура и давление формования.
2. Трудность формования.
3. Невозможность
применения
обычных методов сварки.
4. Требуются дополнительные расчеты соединения.
5. Затруднено регулирование реакций на поверхности раздела волокно-металл.
Для литьевого формирования углепластиков начали применять термопластичные полимеры, которые имеют ряд преимуществ перед реактопластами с точки зрения технологической переработки, обладают большей ударной
вязкостью и т.д. Определенный прогресс достигнут в разработке материалов
на основе термопластичных полимеров и углеродных волокон в виде препрегров, листов для холодной штамповки и других полуфабрикатов[3]. Свойства
однонаправленных армированных пластиков на основе эпоксидной смолы
приведены в таблице 12.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 12
Свойства однонаправленных армированных пластиков
Характеристика*
Плотность, г/см3
Прочность при растяжении вдоль
волокон, МПа
Прочность при растяжении поперек волокон, МПа
Модуль упругости при растяжении вдоль волокон, ГПа
Модуль упругости при растяжении поперек волокон, ГПа
Прочность при сжатии вдоль волокон, МПа
Прочность при сжатии поперек
волокон, МПа
Прочность при внутрислоевом
сдвиге, МПа
Прочность при межслоевом сдвиге, МПа
Модуль сдвига, ГПа
Коэффициент Пуассона
Стеклопластики
Углепластики
2,07
1,52
Пластмассы,
армированные арамидными волокнами
1,38
1080
1670
1370
34,3
41,2
27,5
39,2
130,0
75,5
8,9
6,2
5,5
590
1100
275
137
137
137
62
62
44
78
98
69
3,4
0,30
4,8
0,25
2,1
0,34
*Характеристики материалов зависят от типа армирующих волокон и
типа полимерной матрицы, а также от технологии формирования материала. В таблице приведены характеристики одного и того же материала.
Композиционные материалы на основе углеродных волокон используются в различных областях, например, таких как аэрокосмическая промышленность. В авиационной технике они применяются в конструкциях летательных аппаратов (это обусловлено тем, что они обладают сравнительно низкой
плотностью). В настоящее время проектируются спутники с корпусом из углепластика. В направлении армирующих волокон углепластики имеют отрицательное значение коэффициента теплового расширения, что и обуславливает
их применение для таких изделий. Также углепластики применяются при
строительстве обычных торговых судов, автомобилей, атомных реакторов, реактивных самолетов, космических ракет, удочек, ракетки для игры в теннис,
гоночных автомобилей и т.д. В медицине углепластики используют ввиду их
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
малой плотности и способности пропускать рентгеновские лучи. Другие примеры применения композиционных материалов на основе углеродных волокон
в различных изделиях приведены в таблице 13 [3].
На основе арамидных волокон получают различные виды органопластиков. Основные потребители органопластиков это авиация, космическая техника, судостроение. Они прекрасно заменяют металл в тех узлах и деталях, где
испытываются наибольшие растягивающие напряжения. Используя арамидные волокна можно снижать вес конструкций, что является весьма эффективным с точки зрения улучшения технико-экономических характеристик летательных аппаратов и т.д. эти материалы имеют также более высокую ударную
вязкость по сравнению с высокомодульными стеклопластиками. Поэтому для
повышения ударной вязкости органопластиков эффективной оказывается гибридизация углеродных волокон с волокнами KEVLAR – 49, что дает возможность получать композиционные материалы со сбалансированными заданным
образом свойствами по сравнению с материалами на основе одного типа волокон.
В таблице 14 приведены характеристики однонаправленных армированных пластиков на основе различных волокон (матрица – эпоксидная смола, содержание волокон 60 %).
КМ на основе арамидных волокон характеризуются значительной стойкостью к разрушению, которая проявляется в высоких значениях удельной
прочности и ударной вязкости материала.
Подобно металлам они обладают способностью к пластическим деформациям, что препятствует хрупкому характеру разрушения.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 13
Применение КМ в изделиях
Используемое
свойство
1
2
Изделия с вы- Удельная
сокой
скоро- прочность,
стью
переме- удельный мощения
дуль упругости
Тип изделий
Предметы личного потребления
Изделия с высокой
скоростью вращения
Вибростойкие
изделия
Крупногабаритные изделия
Удельная
прочность
Области применения
3
Скоростные транспортные средства,
спортивные транспортные средства (мотоциклы, велосипеды, байдарки), оборудование для намотки (ведущая траверса,
направляющие нитеводов, укладчик нитей), детали роботов, печатающие
устройства
Альпинистское снаряжение, фотоаппараты, видеокамеры, оправы очков
Удельная
прочность,
жесткость
Цилиндрические роторы установок для
центробежного разделения урана, маховики, шлифовальные круги, шинный
корд, шкивы, лопатки для вентиляторов,
лопасти пропеллеров, вращающиеся элементы прядильных машин
Удельная жест- Плоские пружины вибротранспортеров и
кость, демпфи- вибрационных загрузочных устройств
рующие свойства
Жесткость, от- Суда и другие плавсредства, резервуары,
сутствие пол- баллоны (для сжатых газов и т.д.), силосзучести
ные башни, крылья ветряных мельниц,
элементы конструкций мостов
Жесткость, ма- Микромониторы, синхронизаторы, релое
тепловое зервуары для криогенных температур,
расширение
эталонные образцы
Изделия с высокой стабильностью размеров
Другие изделия Электропроводность, способность к теплоотводу
Резервуары для химических веществ, антистатические валики, антистатические
покрытия, контактные электрические
щетки, коллекторы электродвигателей
постоянного тока, электроды, электрические батареи
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
2
Коррозийная
стойкость
Продолжение таблицы 13
3
Элементы конструкций химических производств; упаковочные материалы; теплообменники; конструкции, работающие
в морской воде; фильтры
ИзносостойПодшипники, детали насосов, вкладыши
кость, самосма- подшипников, зубчатые передачи, диски
зывающие
эксцентриков
свойства
Прочность при Сверхпроводники, магнитогидродинаминизкой темпе- ческие генераторы, несущие элементы
ратуре
кабелей электропередач и т.д.
Сегодня все уверенней органопластики стали использоваться такими отраслями как резино -, электро -, радиотехническая, кабельная промышленность. Арамидные волокна произвели переворот в шинной промышленности.
На их основе получают суперкорд (прочность которого значительно выше
стеклянного, и в 5 раз выше, чем у стального).
Таблица 14
Характеристики однонаправленных армированных пластиков
Характеристика
KEVLAR49
Е – стекло
Плотность, кг/м3
Прочность при растяжении вдоль
волокон, МПа
Прочность при сжатии вдоль волокон, МПа
Модуль упругости при растяжении и сжатии вдоль волокон, ГПа
Прочность при межслоевом
сдвиге, МПа
Коэффициент Пуассона
Удельная прочность при растяжении. Км
Удельный модуль упругости, км
1380
2080
Углеродные
высокопрочные волокна
1520
1380
1100
1240
280
590
1100
76
39
131
48–69
83
96
0,34
0,30
0,25
100
54
83
5600
1900
8800
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разнообразные композиционные материалы уже применяются в орбитальном космическом корабле многоразового использования «Спейс-шатл».
Трубчатые элементы конструкции средней части корпуса этого космического
корабля изготовлены из композиционного материала на основе алюминия и
борных волокон.
Механические характеристики борных волокон практически совпадают с
аналогичными характеристиками углеродных волокон. Следует отметить, что
диаметр борных и углеродных волокон существенно различается. Это необходимо иметь в виду при оценке их работоспособности в составе армированного
материала в условиях различного напряженного состояния.
Высокие прочностные характеристики ориентированных волокнистых
материалов находят применение в различных областях текстильной и легкой
промышленности. Наиболее применяемыми композиционными материалами
являются клеевые материалы. Известны следующие способы скрепления волокнистого слоя с помощью связующих веществ: мокрый способ склеивания
волокон путем пропитки жидкими веществами; сухой способ склеивания волокон термопластическими веществами; склеивание волокон связующими веществами, вводимыми в суспензию волокон.
Наиболее распространенным клеевым способом скрепления волокон в
холсте является сплошная пропитка в ванне жидкими связующими. В качестве
связующего вещества используют водные эмульсии синтетических продуктов
(латекс СКН-40-1ГП, латекс Л-4, поливинилацетатную дисперсию). В зависимости от волокнистого состава свойства клееных полотен могут быть различными. Полотна их хлопка мягкие, эластичные, но не достаточно прочные. Добавление в смесь капроновых волокон повышает упругость и прочность полотна. Таким образом, используя в смеси те или иные волокна, можно получить полотна, обладающие нужными свойствами.
4.2. Композиционные материалы на битум – полимерной основе
Важное место среди композиционных материалов занимают нефтеполимерные композиционные материалы, которые состоят из текстильного материала и нефтеполимерной основы. Нефтеполимерные основы получают сплавлением, сополимеризацией высокомолекулярных нефтяных фракций с термопластами, эластомерами, реактопластами и т.д. В качестве текстильной основы
используются различные ткани, нетканые и трикотажные полотна технического назначения.
Рулонный гидроизоляционный материал, [9] включающий волокнистую
синтетическую основу, пропитанную битумным связующим, отличается от
остальных тем, что с целью повышения относительного удлинения, основа
выполнена из холсто-прошивного полотна. Свойства рулонного гидроизоляционного материала приведены в таблице 15.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 15
Свойства рулонного гидроизоляционного материала
Показатели
Вес 1 м2, г
Прочность на разрыв (полоски материал
шириной 50 мм), кг
Водонасыщение при замачивании в воде в
течение 24 ч, г/кв. м
Водопроницаемость в течение 10 мин при
давлении, атм.
Температуроустойчивость в течение 5 ч при
°С
Относительное удлинение, %
Продольное
Поперечное
Гибкость при изгибании по полуокружности
стержня диаметром 250 мм при *С
Вид холсто-прошивного
полотна
1
2
3
3900
3980
3860
43
44
46
5
4
5
5
5
5
70
70
50
79
130
74
141
52
300
–5
–5
–5
Многослойный материал для покрытия полов, включающий волокнистую основу из теплоизоляционного и биостойкого слоев и ПВХ покрытия.
Отличается тем, что, с целью улучшения эксплуатационных свойств материала
и улучшения стабильности его поверхности, материал содержит между основным и ПВХ покрытием дополнительный слой ячеистой ткани со сторонами
ячеек 1,5–2,5 мм при следующем соотношении, вес %:
Теплозащитный слой волокнистой основы
Биостойкий слой волокнистый основы
Слой ячеистой ткани
ПВХ покрытие
48
10–15
9–15
6–10
65–70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 16
Физико-механические показатели стеклорубероида
Показатели
Значения
Разрывная нагрузка при растяжении, Н не ме245
нее
Водопоглощение в течение 24 ч, % по массе,
1,5
не более
Масса вяжущего, г/м2, не менее
2100
Масса наполнителя в вяжущем, %, не менее
20
Температура хрупкости по Фраасу, °С, не
–15
выше
Температура размягчения вяжущего, °С, не
85
менее
Теплостойкость при 80 °С
Не должно быть сползания
посыпки и других дефектов
вяжущего
Гибкость при изгибании образца на брусе с Не должно быть трещин
закругленным радиусом 20 мм при 0°С
К рулонным материалам на стекловолокнистой основе [10] относятся
кровельный стеклорубероид с крупнозернистой присыпкой, гидроизоляционный стеклорубероид с мелкозернистой или пылевидной посыпкой, гидростеклоизол, армобитэп, эластостек, лобит и др. В качестве основы для стеклорубироида используют стекловолокнистый холст, а для гидростеклоизола – стеклоткань.
Стеклорубероид изготавливают нанесением на стекловолокнистую основу битумно-полимерного связующего с двух сторон и присыпки. Его используют для устройства кровельного ковра зданий и сооружений и гидроизоляции строительных конструкций [11]. Физико-механические показатели стеклорубероида приведены в таблице 16.
Полистон – рулонный кровельный наплавляемый материал – изготавливают нанесением на волокнистую стеклянную основу с двух сторон битумнополимерного связующего, состоящего из битума, полимерного модификатора,
наполнителя и посыпки. Физико-механические показатели полистона показаны в таблице 17.
В зависимости от назначения, вида основы и посыпки полистон выпускают четырех марок.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 17
Физико-механические показатели полистона
Показатель
Разрывная нагрузка при растяжении, Н не менее
Масса, г/м2 не менее:
Вяжущего
Основы
Водопоглощение в течение 24 ч, % по массе, не более
Температура хрупкости по Фраасу, °С, не выше
Марка
ТК; ТП ПК; ПП
784
784
4000
200
1,5
–18
6000
500
1,5
–18
В лаборатории института проблем нефтехимпереработки Академии Наук
Республики Башкортостан разработан рулонный гидроизоляционный материал,
предназначенный для гидроизоляции мостовых сооружений. Он имеет структуру, обычную для подобных материалов: текстильная основа, на которую с
обеих сторон нанесено нефтеполимерное вяжущее [18–23]. Материал с
наплавляемой стороны имеет пленочное покрытие, с другой стороны – присыпку [12].
В состав вяжущего входит высокомолекулярный нефтяной остаток и полиолефин. В качестве высокомолекулярного нефтяного остатка могут быть
использованы асфальт пропановой деасфальтизации гудрона, гудрон или остаточный битум. В зависимости от предполагаемой области использования материала, эксплуатационные свойства нефтеполимерного вяжущего (температура размягчения, пенетрация, дуктильность, температура хрупкости) могут
меняться в широких пределах путем варьирования состава нефтеполимерной
композиции, основные показатели которой приведены в таблице 18.
Механические свойства гидроизоляционного материала зависят в основном от вида текстильной основы и также могут широко варьироваться. Основные характеристики основы показаны в таблице 19.
Таблица 18
Эксплуатационные свойства нефтеполимерного вяжущего
Башмостопласт
Температура размягчения по КиШ, 0С
Дуктильность при 250С, мм
Пенетрация при 250С, мм10-1
Разрывная нагрузка, Н/50 см
Разрывное удлинение, %
Гибкость на брусе R 25 мм, 0С
150–160
2,0–6,2
15–70
1000–1200
8–12
–15–(–35)
50
Мостопласт –
аналог
Не ниже 1500С
3,5
25–35
900–1000
35
–250С
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 19
Механические свойства гидроизоляционного материала
Вид текстильной основы
Стеклоткань
Разрывная нагрузка, Н
По длине
1000–
1200
Уточное трикотажное
полотно из стеклонити 900–1000
Нетканое полиэфирное
1000
полотно
По ширине
Относительное удлинение
при разрыве, %
По длине
По ширине
900–1200
8–10
10–12
400–450
10–15
70–80
900
35
35
4.3. Изготовление изделий из биметаллических материалов
Вытеснение во всех отраслях промышленности традиционных конструкционных материалов биметаллическими и многослойными композиционными
служит основой для существенного повышения качества, надежности и конкурентоспособности изготавливаемых с их помощью изделий и оборудования
при значительном снижении себестоимости. Сварка взрывом является одним
из перспективных и ведущих технологических процессов изготовления композиционных материалов различного строения и конфигурации. Высокопроизводительный и экономичный процесс сварки взрывом позволяет получать соединения практически любых разнородных металлов и сплавов с прочностью
на отрыв слоев на уровне основных металлов. Для целого ряда металлических
композиционных материалов данный технологический процесс по уровню реализуемых служебных свойств, номенклатуре типоразмеров, производительности и себестоимости не имеет альтернативных вариантов.
Областями применения таких материалов являются: машиностроение,
металлургия, энергетика, электротехника, космическая и авиационная техника,
железнодорожный транспорт, автомобилестроение и другие отрасли промышленности.
Данным методом можно получать композиционные материалы в виде
листов, труб, плит, заготовок сложной формы, переходников и др.
Сварка взрывом это:
– получение сварных заготовок большой площади;
– прочное и плотное соединение любых металлов и сплавов друг с другом;
– высокая производительность;
– низкая себестоимость.
Основные принципы сварки металлов взрывом. Явление схватывания металлов при их сварке взрывом было открыто одновременно в России и США в
начале 60-х годов. Сегодня сварка взрывом осуществляется во взрывных каме51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рах или на открытых полигонах. Основная технологическая схема, поясняющая кинематику процесса сварки взрывом следующая: метаемая пластина
устанавливается над неподвижной. На внешнюю поверхность метаемой пластины устанавливается заряд ВВ. При инициировании заряда по ВВ распространяется фронт детонационной волны. Продукты взрыва разгоняют метаемую пластину, которая, ускоряясь, соударяется с неподвижной. В зоне соударения под действием высокого давления протекает интенсивная пластическая
деформация металлов, приводящая к процессу волнообразования, и линия соединения обычно имеет характерный синусоидальный вид. При этом прочность соединения металлических пластин находится на уровне свойств основного металла.
Основные области практического применения свариваемых взрывом
композиционных металлических материалов:
1. Изготовление биметаллических и многослойных плоских заготовок из
разнородных металлов и сплавов площадью до 12 м2 толщиной 0,5–700 мм.
Изготовление композитных листов может осуществляться как непосредственно сваркой, так и в сочетании последней с прокаткой. Наиболее перспективными являются соединения следующих сочетаний:
– титановые сплавы + сталь;
– алюминиевые сплавы + сталь;
– циркониевые сплавы + сталь;
– магниевые сплавы + сталь;
– никелевые сплавы + сталь;
– медные сплавы + сталь;
– алюминиевые сплавы + титановые сплавы;
– алюминиевые сплавы + магниевые сплавы;
– алюминиевые сплавы + медь;
– свинец + сталь;
– свинец + медь;
– ниобий + циркониевый сплав и многие другие.
2. Изготовление биметаллических и многослойных сплошных и полых
цилиндрических заготовок, а также труб с наружными и внутренними плакирующими слоями.
3. Изготовление биметаллических и многослойных слябов, сутунок, заготовок под последующую прокатку в лист, ленту или вытяжку труб.
4. Плакирование поверхностей трубных решеток теплообменного, химического, энергетического и др. оборудования любыми металлами и сплавами.
5. Изготовление переходных композиционных элементов требуемой
конфигурации: плоских, кольцевых, цилиндрических, предназначенных для
надежного соединения разнородных частей трубопроводов, деталей машин и
т.д. с помощью обычных способов сварки.
6. Локальная облицовка заготовок деталей машин, токопроводящих
устройств, лопастей турбин и др. металлами и сплавами с особыми заданными
физическими и механическими свойствами.
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Изготовление биметаллических и многослойных медно-алюминиевых
электроконтактных элементов для надежного соединения разнородных токоведущих частей силовых электроцепей
8. Точечная сварка взрывом одно- и разнородных листов.
Сваркой взрывом изготовлены шлаковые желоба для металлургической
промышленности. Поверхность желоба изготовлена из медино-стальной пластины, к которой приварена водоохлаждаемая рубашка. Данная конструкция
желоба позволяет в несколько раз увеличить срок службы желоба по сравнению с желобом, отлитым из меди.
Изготовление и поставку изделий из биметаллических материалов осуществляет в России ООО «Стальсеть». Предприятие производит кольца щеточные из полипропилена и полипропиленовой лески, применяемые в качестве
узлов и деталей уборочной техники предназначенной для уборки городских
улиц, дорог, тротуаров, промышленных площадей и взлетно-посадочных полос аэродромов.
Производство щеточных колец и полипропиленовой лески организовано
с использованием последних достижений научно-технического прогресса, передовых технологий и новых композиционных полимерных материалов. Ориентированная леска изготовляется на высокопроизводительной технологической линии из качественно нового композиционного материала на основе модифицированного полипропилена.
Рис. 3. Продукция ООО «Стальсеть»
Структурно-технологический модификатор обеспечивает получение высококачественной ориентированной лески с повышенными физикомеханическими и эксплуатационными свойствами. Леска из нового материала
обладает повышенной механической прочностью, стойкостью к многократным
деформациям, низким водопоглощением, более высокими по сравнению с исходным полипропиленом износостойкостью, морозостойкостью, упругостью и
технологичностью.
СООО «Техполимер» производит полипропиленовый ворс (щетину) для
изготовления щеток с ПП ворсом по традиционной (старой) технологии методом тросовой намотки «в навал», а так же щеточные кольца для сборки высококачественных наборных щеток по новой технологии.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Новая технология изготовления наборных щеток из щеточных колец
позволяет значительно сократить ремонтно-эксплуатационные затраты в сравнении со щетками изготовленными по традиционной (старой) технологии.
Кроме того новая технология позволяет практически без затрат достаточно
просто перейти от тросовой намотки при изготовлении и ремонте щеток к использованию наборных щеток.
Будущее композиционных материалов. Развитие во второй половине
прошлого века машиностроения, приборостроения, авиакосмической, энергетической и других областей техники потребовало создания и производства в
промышленных масштабах нового класса материалов, характеризующихся не
только значительно высоким уровнем традиционных свойств, например прочности, жаростойкости, жесткости, но и заданным комплексом специальных
свойств – диэлектрических, магнитных, радиопоглощающих, радиопрозрачных и др. В идеале, конструктору не придется в будущем подстраиваться под
имеющийся материал, он сможет заказывать технологам материалы с конкретными заданными свойствами, необходимыми для решения той или иной технической задачи [1].
Композиционные материалы прекрасно зарекомендовали себя в самых
разных сферах нашей жизни. Но, пожалуй, одним из крупнейших потребителей стала строительная индустрия. Стеклобетон и стеклогипс уже успешно
применяются в строительстве. В Институте проблем материаловедения АН
Украины под руководством академика В.Н. Трефилова созданны базальтовые
волокна, [1] превосходящие стеклянные и по термостойкости, и по химической
устойчивости, и по другим характеристикам. Диапазон рабочих температур у
них очень широк: –200 °С до + 700 °С, а после специальной обработки до
+ 900 °С.
Многое сделано для промышленного производства новых материалов:
сконструированы установки для получения волокон различной толщины, разработаны соответствующие технологии. Сегодня есть группа композитов на
основе базальтовых волокон с весьма ценными свойствами: тепло- и звукоизоляционными, фильтрующими, армирующими и др.
Анализ производства и потребления полимерных композиционных материалов за последние 20 лет свидетельствует о постоянном росте объемов
производства этих материалов, расширении ассортимента выпускаемых композитов, вовлечении все новых и новых наполнителей, модификаторов [7]. В
настоящее время около 20 % выпускаемых в мире термопластов представляют
собой полимерные композиционные материалы, и эта доля продолжает расти.
Для реактопластов рынок полимерных композиционных материалов практически стабилизировался на величине 80 %.
Остро встает вопрос о возможности «разбавления» пластиков дешевыми
минеральными наполнителями, но в последнее время он связан с резким повышением цен на нефть. Введение минеральных наполнителей может дать
значительную экономию полимера и обеспечить удовлетворительный и даже
лучший потребительских свойств.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Решая сегодняшние проблемы, нельзя забывать о завтрашнем дне, надо
обязательно ориентироваться на перспективу, на завтрашний день. Например,
очень перспективны композиты – гибриды. Известно, что каждый тип волокон
обладает отличительными способностями. Например, стекловолокно прекрасно выдерживает большие нагрузки на сжатие, органические – нет. Однако они
превосходно работают на растяжение. Совмещая их в одном материале, получают композит – гибрид: он будет хорошо переносить и растяжение, и сжатие
[1].
Вообще перспективы в этой области блестящие. По сути дела, ученые
уже на пороге создания «интеллектуальных» композитов. Название придумано
необычное. Но оно как нельзя, кстати, отвечает поведению этих материалов,
композиты будут реагировать на внешние условия, изменять свои свойства,
«подстраиваясь» под определенные условия. Применение композиционных
материалов на сегодняшний день распространено в различных областях достаточно широко. Однако спрос на них явно превышает предложение, а это значит, что масштабы производства необходимо резко наращивать.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фридляндер И.Н. О композитах / И.Н. Фридляндер, А.Г. Братухин,
Р.Е. Шалин. – М.: Знание, 1989.
2. Химическая энциклопедия: в 5 т.: Даффа-Меди. Т. 2 / Редколлегия:
И.Л. Кнунянц и др. – М.: Советская энциклопедия, 1990. – 671 с.: ил.
3. Углеродные волокна: пер. с япон. / Под ред. С. Симамуры. – М.: Мир,
1987.
4. Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов / Г.М. Гуняев. – М.: Химия, 1981. – 323 с.
5. Яценко В.Ф. Прочность композиционных материалов / В.Ф. Яценко. –
К.: Выща шк. Головное изд-во, 1988.
6. Тарпольский Ю.М. Методы статистических испытаний армированных
пластиков / Ю.М. Тарполский, Т.Я. Кинцис. – М.: Химия, 1981. – 272 с.
7. Стеклянные волокна/ Под ред. М.С. Аслановой. – М.: Химия, 1979.
8. Основы технологии переработки пластмасс: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.Н. Кулезного. – М.: Химия, 1995.
9. SU, Рулонный гидроизоляционный материал, SU. № 493525 от
30.11.75.
10. Калиничев В.А. Намотанные стеклопластики / В.А. Калиничев,
М.С. Макаров. – М.: Химия, 1986.
11. Принципы создания композиционных материалов / Ал. Ал. Берлин,
С.А. Вольфон, В.Г. Ошмян, Н.С. Ениколопов. – М.: Химия, 1990.
12. Композиционные гидроизоляционные материалы на основе полипропилена, эластомера и нефтяных остатков: Материалы 2 конгресса нефтегазопромышленников России / Н.Г. Будрина, М.Ю. Доломатов, Э.Г. Теляшев и
др. – Уфа, 2000.
13. Доломатов М.Ю. Полимерные композиты – 2000: Тезисы докладов
международной научно-технической конференции / М.Ю. Доломатов,
М.Ю. Тимофеева, Н.Г. Будрина. – Гомель: ИММС НАНБ, 2000.
14. Папков С.П. Полимерные волокнистые материалы / С.П. Папков. –
М.: Химия, 1986. – 224 с.
15. Политехнический словарь / Редколлегия: А.Ю. Ишлинский (гл. ред.)
и др. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Советская энциклопедия, 1989. – 656 с.
16. Композиционные материалы. т.6. Поверхности раздела в полимерных композитах / Под ред. Э. Плюдемана. – М.: Мир, 1978.
17. http://www.plastics.ru.
18. Доломатов М.Ю. Особенности процессов адгезии растворов полимеров к металлическим субстратам / М.Ю. Доломатов, М.Ю. Тимоеева // Пластические массы. – 2003. – № 8. – С. 19–21 .
19. Доломатов М.Ю. Термодинамическая модель адгезии многокомпонентных полимерных систем к волокнистым субстратам / М.Ю. Доломатов,
М.Ю. Тимофеева // Химическая технология. – 2004. – № 1. – С. 4–7.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20. Тимофеева М.Ю. Термодинамическая модель адгезии многокомпонентных полимерных систем. Т. 48 / М.Ю. Тимофеева, М.Ю. Доломатов,
А.Г. Магадеева // Известия вузов. Химия и химическая технология. – Вып. 6. –
2005. – С. 37–42.
21. Доломатов М.Ю. Закономерности теории адгезии многокомпонентных систем к волокнистым субстратам / М.Ю. Доломатов, М.Ю. Тимофеева //
Пластические массы. – 2002. – № 2. – С. 4–7.
22. Особенности адгезии неидеальных высокомолекулярных систем к
волокнистым и металлическим субстратам / М.Ю. Тимофеева, М.Ю. Доломатов, Ф.Ш. Вильданов и др. // Башкирский химический журнал. – 2002. – № 11.
23. Доломатов М.Ю. Направленный синтез многокомпонентных композиционных материалов на основе высокомолекулярных соединений нефти и
полиолефинов / М.Ю. Доломатов, Н.Г. Будрина, М.Ю. Тимофеева // Химическая технология. – 2002. – № 2. – С. 15–19.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРИЛОЖЕНИЕ
СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ И ПОНЯТИЙ
Армирование (от лат. armo – вооружаю, укрепляю) – усиление материала
или конструкции другим материалом. Применяется при изготовлении железобетонных конструкций, изделий из стекла, пластмассы, керамики и др. В технике получили распространение волокнистые композиционные материалы,
армированные высокопрочными непрерывными волокнами.
Армированные пластики – пластмассы, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя, применяются волокнистые материалы в виде жгутов,
нитей, тканей и др. К армированным пластикам относятся асбопластики, боропластики, стеклопластики, углепластики.
Боропластики – пластмассы, содержащие в качестве упрочнительного
наполнителя волокна бора. Отличаются высокой прочностью, твердостью, выносливостью при динамическом и статическом нагружении, низкой ползучестью. Применяются в авиастроении, ракетной технике.
Волокно текстильное – гибкое и прочное протяженное тело ограниченной длины с малым поперечным размером. Применяется для изготовления
пряжи и текстильных изделий. Различают волокна натуральные растительного,
животного и минерального происхождения и химические, подразделяющиеся
на искусственные и синтетические.
Волокнистые композиционные материалы – материалы, для упрочнения
которых используются различные виды волокон.
Вяжущие материалы – минеральные и органические вещества, применяемые для изготовления бетонов и растворов, скрепления строительных конструкций, гидроизоляции и т.д.
Компонент (от лат. componens – составляющий) – составная часть, элемент чего-либо.
Мононить, моноволокно – одиночное химическое волокно, пригодное
для изготовления текстильных материалов.
Наполнители полимерных материалов – вещества, которые входят в состав пластмасс, красок, резиновых смесей с целью облегчения переработки,
придания необходимых эксплуатационных свойств, а также удешевления. Распространенные наполнители – технический углерод, мел, тальк, асбестовые и
химические волокна, монокристаллические волокна некоторых металлов
(«усы»), ткани, бумага. Наполнители, улучшающие свойства материала называются упрочняющими (усиливающими, активными); волокнистые и листовые
наполнители часто называются армирующими.
Олигомеры (от греч. оligos – малый, маленький) – члены гомологических
рядов, имеющие промежуточные молекулярные массы между мономерами и
полимерами. К олигомерам относятся, например, природные смолы, жидкие
каучуки, смазочные масла.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Органосиликатные материалы – композиционные материалы, содержащие органические или элементорганические полимеры, пригодные волокнистые или слоистые силикатные (асбест, слюда, тальк) и оксиды металлов (хрома, железа, титана и др.). Применяется в качестве компонентов армированных
пластиков.
Поликонденсация – синтез полимеров, при котором взаимодействие мономеров, содержащих различные функциональные группы (H2N, OH, COOH и
др.) сопровождается выделением побочного продукта низкомолекулярного
вещества (воды, спирта и др.).
Пластические массы, пластмассы, пластики – материалы на основе полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и сохранять ее после охлаждения.
Пластификаторы – органические вещества, которые вводят в полимеры
для придания или повышения пластичности и (или) эластичности.
Стеклопластики – пластмассы, содержащие в качестве упрочнителя
стеклянные волокнистые материалы в виде тканей (стеклотекстолит), коротких волокон (стекловолокнит), нитей, жгутов, шпона, матов. Характеризуются
высокой механической прочностью, сравнительно низкой плотностью и теплопроводностью, хорошими электроизоляционными свойствами, радиопрозрачны.
Стеклоткани – материал, образованный переплетение взаимно перпендикулярных нитей стеклянного волокна. Стеклоткани используют при изготовлении стеклопластиков и т.п.
Смолы природные, натуральные смолы – продукты жизнедеятельности
некоторых растений, выделяющиеся на поверхность коры. Наиболее важные:
канифоль, капалы, янтарь, шеллак. В современной промышленности успешно
заменяются синтетическими смолами.
Смолы синтетические – традиционное название полимеров с небольшой
молекулярной массой, полученных главным образом поликонденсацией. Среди синтетических смол наибольшее значение имеют алкидные, меламиноформальдегидные, феноло-формальдегидные, эпоксидные. Применяются в
производстве пластмасс, клеев, лаков и т.д.
Сотопласты – полимерные материалы, структура которых представляет
собой закономерно чередующиеся между собой ячейки определенной формы,
например, треугольной, квадратной. Изготавливают из стеклопластиков, полиэтилентерефталатовой пленки и др. панели (обычно трехслойные) с заполнителем из сотопластов – легкие, декоративные и звукоизоляционные материалы.
Суспензия (от лат. suspendo – подвешиваю), взвесь – дисперсная система,
состоящая двух фаз – жидкой и твердой, где мелкие твердые частицы взвешены в жидкости.
Текс – масса нити в граммах, приходящаяся на длину 1000 метров.
Текстиль (от лат. textile – ткань, от texo – тку) – изделия, вырабатываемые из волокон и нитей (ткани, трикотаж и т.д.).
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Текстолит (от лат textus – ткать и греч. litos – камень) – слоистый пластик из природного волокна (главным образом хлопкового) и полимерного
связующего. Вырабатывается в виде листов, труб, шестерен и др.
Ткань техническая – текстильная ткань, используемая в качестве основного или вспомогательного материал для изготовления деталей машин, технических установок, технических изделий в химической, резиновой и других отраслях промышленности. Изготавливают из химических (лавсана, капрона,
стеклянных, углеродных нитей и др.) и природных волокон. Ткань техническая служит фильтровальными материалами, основой для нанесения различных покрытий, применяется для пошива защитной одежды.
Трикотаж (франц. tricotage, от tricoter – вязать) текстильные изделия
или полотна, получаемые из одной или многих нитей путем образования петель и их взаимного переплетения. Из трикотажа изготавливают одежду и технические изделия (прокладки, трубки, сети), изделия медицинского назначения (бинты, кровеносные сосуды, протезы внутренних органов и т.д.).
Углепластики, карбопласты, углеродопласты – пластмассы, содержащие
в качестве упрочняющего наполнителя углеродные волокна в виде жгутов,
ровницы, лент, тканей и др. связующее в углепластиках – эпоксидные, феноло
– формальдегидные, полиэфирные смолы, кремнийорганические полимеры,
полиимиды, пиролитический углерод (углерод-углеродные пластики). Отличается высокой прочностью при статическом и динамическом нагружении,
жесткостью, тепло - и электропроводностью, химической и радиационной
стойкостью, низкой плотностью.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ТИМОФЕЕВА Марина Юрьевна
ДОЛОМАТОВ Михаил Юрьевич
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Учебное пособие
Технический редактор: А.Ю. Кунафина
Подписано в печать 11.12.07. Формат 60×84 1/16.
Бумага газетная. Гарнитура «Таймс».
Усл. печ. л. 3,55. Уч.-изд. л. 4,25. Тираж 200 экз.
Цена свободная. Заказ № 231.
Отпечатано с готовых авторских оригиналов
на ризографе в издательском отделе
Уфимской государственной академии экономики и сервиса
450078, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145; тел. (347) 241-69-85.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
64
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
327
Размер файла
735 Кб
Теги
материалы, применению, промышленность, композиционные, 1591
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа