Композиты как новые конструкционные материалы

3.4. Карбоволокниты.

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие  из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи  С-С углеродных волокон позволяет  им сохранить прочность при очень  высоких температурах (в нейтральной  и восстановительной средах до 2200 °С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна  предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются  связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При  этом увеличивается степень активирования  углеродных волокон по содержанию карбоксильной  группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков  увеличивается в 1,6-2,5 раза. Применяется  вискеризация нитевидных кристаллов TiO₂, AlN и Si₃N₄, что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно- армированные структуры.

Связующими служат синтетические  полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненные углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте, висскеризованном нитевидными кристаллами, могут  длительно работать при температуре  до 200 °С.

Карбоволокниты КМУ-3 и  КМУ-2л получают на эпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать  при температуре до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и  КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре  до 300 °С.

Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют  это свойство при нормальной и  очень низкой температуре (высокая  теплопроводность волокна предотвращает  саморазогрев материала за счет внутреннего  трения). Они водо- и химически  стойкие. После воздействия на воздухе  рентгеновского излучения  σ_изг и Е почти не изменяются.

Теплопроводность углепластиков  в 1,5-2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие  электрические свойства: ρ_V = 0,0024÷0,0034 Ом·см (вдоль волокон); ε = 10 и tg δ= 0,001 (при частоте тока 10¹⁰ Гц).

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал.

3.5. Карбоволокниты с углеродной матрицей.

Коксованные материалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или  восстановительной атмосфере. При  температуре 800-1500 °С образуются карбонизированные, при 2500-3000 °С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме (температуре 1100 °С и остаточном давлении 2660 Па) метан разлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочность  сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими механическими  и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениям прочности  и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит  специальные графиты; при нагреве  в инертной атмосфере и вакууме  он сохраняет прочность до 2200 °С, на воздухе окисляется при 450 °С и  требует защитного покрытия. Коэффициент  трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35-0,45), а износ мал (0,7-1 мкм на торможение).

Физико-механические свойства карбоволокнитов приведены в табл.2.

Таблица 2. (продолжение см. на стр.17, 18,19).

Физико-механические свойства однонаправленных композиционных материалов с полимерной матрицей
Материал	Предел прочности, МПа					Модуль упругости, ГПа
	При растяжении		При сжатии	При изгибе	При сдвиге	При растяжении	При изгибе	При сдвиге
Карбоволокниты:
КМУ-1л	650	350		800	25	120	100	2,8
КМУ-1у	1020	400		1100	30	180	145	3,50
КМУ-1в	1000	540		1200	45	180	160	5,35
КМУ-2в	380	-		-	-	81	-	-
Бороволокниты:
КМВ-1м	1300	1160		1750	60	270	250	9,8
КМВ-1к	900	920		1250	48	214	223	7,0
КМВ-2к	1250	1250		1550	60	260	215	6,8
КМВ-3к	1300	1500		1450	75	260	238	7,2
Карбоволокнит с углеродной матрицей КУП-ВМ	200	260		640	42	160	165	-
Органоволокниты:
С эластичным волокном	100-190	75		100-180	-	2,5-8,0	-	-
С жестким волокном	650-700	180-200		400-450	-	35	-	-

Физико-механические свойства однонаправленных композиционных материалов с полимерной матрицей
Материал	Удель- Ная жест-кость Е/ρ, 10³ км	Относи- тельное удли-нение при  разрыве, %	Удель- ная проч- ность σ/ρ, км	Удар- ная вяз-кость, кДж/м²	Сопро- тивление уста- лости на базе 10  циклов, МПа	Дли-тельная проч- нось при изгибе за 1000 ч, МПа	Плот- ность, т/м³
Карбоволокниты:
КМУ-1л	8,6	0,5	46	50	300	480	1,4
КМУ-1у	12,2	0,6	70	44	500	880	1,47
КМУ-1в	11,5	0,6	65	84	350	900	1,55
КМУ-2в	6,2	0,4	30	-	-	-	1,3
Бороволокниты:
КМВ-1м	-	0,3-0,5	-	90	400	1370	2,1
КМВ-1к	10,7	0,3-0,4	43	78	350	1220	2,0
КМВ-2к	13,0	0,3-0,4	50	110	400	1200	2,0
КМВ-3к	12,5	0,3-0,4	65	110	420	1300	2,0
Карбоволокнит с углеродной матрицей КУП-ВМ	-	-	-	12	240	-	1.35
Органоволокниты:
С эластичным волокном	0,22-0,6	10-20	8-15	500-600	-	-	1,15-1,3
С жестким волокном	2,7	2-5	50	-	-	-	1.2-1,4

 

 

3.6. Бороволокниты.

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного  связующего и упрочнителя – борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой  прочностью при сжатии, сдвиге и  срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью  и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую  прочность при сдвиге на границе  раздела с матрицей.

Помимо непрерывного борного  волокна применяют комплексные  боростеклониты, в которых несколько  параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей  облегчает технологический процесс изготовления материала.

В качестве матриц для получения  боровлокнитов используют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены  для длительной работы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-3к не требуют  высокого давления при переработке  и могут работать при температуре  не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они  стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных  материалов.

Поскольку борные волокна  являются полупроводниками, то бороволокниты  обладают повышенной теплопроводностью  и электропроводимостью: λ = 45 кДж/(м∙К); α = 4∙10^-6С^-1 (вдоль волокон); ρ_V = 1,94∙10⁷ Ом∙см; ε = 12,6÷20,5 (при частоте тока 10⁷ Гц); tg δ = 0,02÷0,051 (при частоте тока 10  Гц). Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2-2,5 раза больше, чем для карбоволокнитов.

Физико-механические свойства бороволокнитов приведены в предыдущей таблице (см.выше).

 

3.7. Органоволокниты.

Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие  из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических  волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных  нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке  небольшие; они малочувствительны  к повреждениям.

К органоволокнитах значения модуля упругости и температурных  коэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними. Структура материала  бездефектна. Пористось не превышает 1-3 % (в других материалах 10-20 %). Отсюда стабильность механических свойств  органоволокнитов при резком перепаде температур, действии ударных и циклических  нагрузок. Ударная вязкость высокая (400-700 кДж/м²). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы  в агрессивных средах и во влажном  тропическом климате; диэлектрические  свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при  температуре 100-150 °С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон  – при температуре 200-300 °С.

В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами  применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие  материалы обладают большей прочностью и жесткостью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются  в авиации для высоконагруженных  деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей  (лопаток компрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения  полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

Композиционные материалы  с неметаллической матрицей, а  именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части  ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей  авиационной техники, аппаратуры для  химической промышленности, в рентгеновском  оборудовании и другом.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и  космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти  винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.).

Органоволокниты применяют  в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости  для реактивов, покрытия корпусов судов  и другое.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Список литературы.

Лахтин Ю. М., Леонтьева  В. П. Материаловедение: Учебник для  высших технических заведений. – 3-е  изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990.

Материалы будущего: перспективные  материалы для народного хозяйства. Пер. с нем./ Под ред. А. Неймана. –  Л.: Химия, 1985.

Тарнопольский Ю. М., Жигун  И. Г., Поляков В. А. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник. – М.: Машиностроение, 1987.

Политехнический словарь. Гл. ред. И. И. Артоболевский. – М.: «Советская энциклопедия», 1977.