книги / Новые материалы и технологии.-1

По типу армирующего компонента композиты подразде­ ляют на стеклопластики, органопластики, углепластики, базальтопластики и т.д.

По способу получения выделяют КМ:

•намотанные;

•прессованные;

•экструзионные и пультрузионные;

•плетеные, тканые и др.

По назначению КМ разделяют на:

•конструкционные;

•защитные (антикоррозионные, теплоизоляционные, зву­ коизоляционные);

•электротехнические;

•другие.

Иногда КМ классифицируют по основному (уникальному)

свойству. Выделяют КМ высокопрочные, высокомодульные,

коррозионно-стойкие, тепло-, жаростойкие и др.

3. Компоненты н структура композитов

Композиционный материал образуется совмещением не­ скольких исходных компонентов. Минимальное число компо­ нентов - два: армирующий и связующий; это основные, обяза­ тельные компоненты. Армирующий компонент обеспечивает прочностные, жесткостные свойства КМ, а связующий - соеди­ няет, объединяет армирующие элементы, образуя монолитный объем и форму изделия. В качестве армирующего компонента используют волокна, дисперсные частицы, порошки. Связую­ щим компонентом может быть полимер или металл. В состав

поненты. По объемному или весовому соотношению основные доли в КМ приходятся на армирующий и связующий компонен­ ты. Например, доля армирующих волокон в стеклопластике со­ ставляет в среднем 50...70 % (по объему), а на связующее прихо­ дится около 30...50%. Другие компоненты, если они присутст­ вуют, составляют несколько процентов. Один из вариантов структуры КМ показан на рис. 4.

3.1. Армирующий компонент

Армирующие компоненты могут быть различного проис­ хождения или способа получения:

•органические (капроновые, лавсановые, органоволокно, углеродное волокно и др.);

•минеральные (стальные, бериллиевые, борные и др.);

•натуральные животного происхождения (шерсть, шелк, щетина и др.);

•натуральные растительного происхождения (лен, пень­ ка, хлопок, джут и др.);

•натуральные минеральные (асбест).

В большинстве своем широко применяемые армирующие материалы - это химические волокна на органической или ми­ неральной основе.

Рассмотрим одну из типовых технологий изготовления химических волокон (например стекловолокна). Технология включает в себя 4 основные стадии:

•получение исходного сырья (стеклянных шариков);

•получение расплава (жидкого стекла);

•формование (вытяжку) волокна через фильеры;

•различные обработки (химические и механические); большинство волокон на этой стадии подвергаются «холодно­ му», а чаще «горячему» вытягиванию, что упорядочивает их структуру и значительно повышает прочность.

Полученный армирующий материал используется в виде:

•волокон (непрерывные, короткие, дисперсные);

•комплексных нитей, жгутов, ровингов;

•тканей текстильных, лент, матов;

•трикотажных, плетеных и других структур.

Основным элементом, образующим эти виды, является комплексная нить, она состоит из большого количества волокон, собранных в единый пучок. К основным параметрам нити отно­ сятся:

а) линейная плотность (текс) - определяется по формуле

9-1000

( 1)

где q - масса нити, г; 1000 - коэффициент перевода; / - длина нити, м.

Размерность «текс» позаимствована из текстильной отрас­ ли. Поясним это понятие на примере: пусть нить имеет линей­

ную плотность Т = 120 текс, это означает, что данный тип нити при ее длине / = 1000 м имеет массу q = 120 г;

б) разрывная нагрузка (кгс) - характеризует прочностные

свойства нити данного армирующего материала;

в) гигроскопичность - способность поглощать влагу из

воздуха;

г) устойчивость к износу, изгибу, истиранию.

Способы получения различных видов волокон подробно

изложены в учебных пособиях [1,2]. Здесь укажем лишь основ­ ные свойства наиболее часто используемых волокон, они приве­

Самым прочным волокном является органическое (СВМ, кевлар и др.), оно обладает уникальной прочностью, и, что не

менее важно, оно самое легкое. Благодаря столь примечатель­ ному сочетанию свойств это волокно нашло широкое примене­ ние в производстве летательных аппаратов, в частности корпу­ сов ракетных двигателей. По стоимости это самое дорогое во­ локно, поэтому для изготовления других изделий оно использу­ ется ограниченно.

Углеродное волокно примечательно своим комплексом свойств: высокой прочностью и жесткостью, малой плотностью. Благодаря этому оно широко используется в авиационной про­ мышленности; его стоимость средняя по сравнению со стоимо­ стью других волокон.

Стекловолокно обладает хорошим комплексом механиче­ ских и технологических свойств, к тому же оно самое дешевое из названных волокон. Поэтому стекловолокно применяется наиболее широко, в частности и в массовом производстве изде­ лий народно-хозяйственного назначения (например в производ­ стве стеклопластиковых труб).

В последние годы отработана серийная технология срав­ нительно нового волокна - базальтового, изготовители предла­ гают базальтовый ровинг хорошего качества. Свойства этого волокна аналогичны свойствам стекловолокна, а сырьевая база минерала базальта неограниченна. В перспективе базальтовое волокно может стать самым дешевым и использоваться наравне со стекловолокном.

Борное волокно относится к металлическим и отличается от других типов волокон высочайшей прочностью и жесткостью на сжатие. Оно нашло применение в КМ, предназначенных для изготовления силовых элементов летательных аппаратов; стои­ мость бороволокон высокая.

теля (диметиланилина) имеют хорошие технологические свой­ ства. Кроме того, они дешевле эпоксидных связующих, что пре­ допределило их широкое применение в массовом производстве изделий народно-хозяйственного назначения (например стекло­ пластиковых труб).

Рис. 5. Типовой график отверждения КПМ на основе эпоксидного связующего

Фенолоформальдегидное связующее раньше других нача­ ли применять в производстве изделий из композитов. Данное связующее в своей основе состоит из фенолоформапьдегидной смолы и обладает высокой теплостойкостью, изделия из него работают вполне нормально при температуре до 200 °С. Наибо­ лее применимо это связующее в производстве пресс-материала АГ-4. Это связующее отличается высокой степенью коксования и используется для производства изделий, включающего в себя технологию карбонизации (см. раздел 7.1).

Кремнийорганическое связующее хотя и имеет невысокие механические свойства, но отличается теплостойкостью (до +350 °С), стойкостью в агрессивных средах, хорошими диэлек­

трическими характеристиками. Для этого связующего требуется высокое давление при формовании изделия, оно имеет продол­ жительный цикл отверждения и значительную стоимость. Ис­ пользуются в основном смолы марок К-9, К-31 и лаки КО-554, КО-812.

3.3. Другие компоненты композиционных материалов

Другими компонентами КМ являются:

а) наполнители:

•сажа (придает электропроводность, цвет);

•асбест (повышает твердость, теплостойкость);

•порошки металлов - алюминия, бронзы и др. (придают твердость, теплостойкость, цвет и т.п.);

•древесная мука, мел и др, (увеличивает объем композита); б) красители (порошки металлов, минералов и др.); в) спецдобавки (придают особые свойства):

•антиперены - соединения сурьмы, борат цинка и др. (придают огнестойкость, негорючесть);

•порошки алюминия, меди, железа и др. (улучшают элек­ тропроводность);

•бориды, карбиды и др. (улучшают фрикционные свой­

ства);

г) другие добавки.

Компоненты других типов композитов (металлокомпозитов, керамики, углерод-углеродных и др.) рассмотрим в после­ дующих разделах.