Композиційні матеріали

Властивості композиційних  матеріалів залежать від складу компонентів, їх поєднання, кількісного співвідношення і міцності зв'язку між ними. Армуючі  матеріали можуть бути у вигляді  волокон, джгутів, ниток, стрічок, багатошарових тканин.

Вміст ущільнювача в орієнтованих матеріалах складає 60-80 об.%, В неорієнтованих (з дискретними волокнами і ниткоподібними кристалами) - 20-30 об.%. Чим вище міцність і модуль пружності волокон, тим вище міцність і жорсткість композиційного матеріалу. Властивості матриці визначають міцність композиції при зсуві і стиску і опір втомного руйнування.

По виду ущільнювача композиційні матеріали класифікують на стекловолокніти, карбоволокнітах з вуглецевими волокнами, бороволокніти і органоволокніти.

У шаруватих  матеріалах волокна, нитки, стрічки, просочені  сполучною, укладаються паралельно один одному в площині укладання. Площинні шари збираються в пластини. Властивості виходять анізотропними. Для роботи матеріалу у виробі важливо враховувати напрям діючих навантажень. Можна створювати матеріали як з ізотропним, так і з анізотропними властивостями. Можна укладати волокна під різними кутами, варіюючи властивості композиційних матеріалів. Від порядку укладання шарів по товщині пакета залежать згинальні і крутильні жорсткості матеріалу.

 

Рис.5. Залежність між напругою і деформацією при розтягуванні епоксидного вуглепластика з різною схемою укладання упрочнителя: 1 - поздовжня; 2 - під кутом 45 º, 3 - взаємно перпендикулярна, 4 – поперечна 

Застосовується  укладання упрочнітелей з трьох, чотирьох і більше ниток (мал.5). Найбільше застосування має структура з трьох взаємно перпендикулярних ниток. Ущільнювачі можуть розташовуватися в осьовому, радіальному і окружному напрямках.

Тривимірні матеріали  можуть бути будь-якої товщини у  вигляді блоків, циліндрів. Об'ємні тканини збільшують міцність на відрив і опір зрушенню в порівнянні з шаруватими. Система з чотирьох ниток будується шляхом розташування ущільнювача по діагоналях куба. Структура з чотирьох ниток рівноважна, має підвищену жорсткість при зсуві в головних площинах. Проте створення чотирьохнаправленних матеріалів складніше, ніж трьох-спрямованих. Залежність механічних властивостей композиційних матеріалів від схеми армування наведена на рис.4. 

Карбоволокніти 

Карбоволокніти (вуглепласти) є композиції, що складаються з полімерного сполучного (матриці) та ущільнювачів у вигляді вуглецевих волокон (карбоволокон).

Висока енергія  зв'язку С-С вуглецевих волокон дозволяє їм зберігати міцність при дуже високих температурах (в нейтральній і відновної середовищах до 2200 ° С), а також при низьких температурах. Від окислення поверхні волокна оберігають захисними покриттями (піролітичним). На відміну від скляних волокон карбоволокна погано змочуються сполучною (низька поверхнева енергія), тому їх піддають травленню. При цьому збільшується ступінь активування вуглецевих волокон за змістом карбоксильної групи на їх поверхні. Міжшарова міцність при зсуві вуглепластиків збільшується в 1,6-2,5 рази. Застосовується віскерізація ниткоподібних кристалів TiO2, AlN і Si3N4, що дає збільшення міжшарової жорсткості в 2 рази і міцності в 2,8 рази. Застосовуються просторово армовані структури.

Єднальними служать  синтетичні полімери (полімерні Карбоволокніти); синтетичні полімери, піддані піролізу (коксовані Карбоволокніти); піролітичний вуглець (піровуглецеві Карбоволокніти).

 

Рис.6. Значення модулів пружності (1), зсуву (2) і коефіцієнтів Пуассона (3) під кутом до головного напрямку композиційного матеріалу, утвореного системою трьох ниток

Епоксіфенольні Карбоволокніти КМУ-1л, зміцнений вуглецевої стрічкою, і КМУ-ly на джгуті, віскерізованими ниткоподібними кристалами, можуть тривало працювати при температурі до 200 ° С. 

Карбоволокніти  КМУ-3 і КМУ-Зл отримують на епоксіані-ліноформальдегідній сполучній, їх можна експлуатувати при температурі до 100 ° С, вони найбільш технологічні. Карбоволокніти КМУ-2 і КМУ-2л на основі поліємідні сполучної можна застосовувати при температурі до 300 ° С.

Карбоволокніти відрізняються високим статичним і динамічним опором втоми (мал. 6), зберігають цю властивість при нормальній і дуже низькій температурі (висока теплопровідність волокна запобігає саморозігрів матеріалу за рахунок внутрішнього тертя). Вони водо-і хімічно стійкі. Після впливу на повітрі рентгенівського випромінювання σІЗГ і Е майже не змінюються.

Теплопровідність  вуглепластиків в 1,5-2 рази вище, ніж  теплопровідність склопластиків. Вони мають такі електричні властивості: ρV = 0,0024 ÷ 0,0034 Ом ∙ см (вздовж волокон);   е = 10 і tgδ = 0,01 (при частоті струму 1010 Гц).

Карбостекловолокніти  містять поряд з вугільними скляні волокна, що здешевлює матеріал. Залежність механічних властивостей модифікованого карбоволокнітах від змісту вуглецевих волокон показана на рис.7.

 

Рис.7. Залежність модуля пружності Е, межі міцності σВ, ударної в'язкості а й опору втоми σ-1 карбостекловолокніта від змісту вуглецевих волокон (загальний вміст наповнювача в композиції 62 об.%) 

Карбоволокніти  з вуглецевої матрицею. 

Коксовані матеріали одержують із звичайних полімерних карбоволокнітів, підданих піролізу в інертною або відновлювальної атмосфері. При температурі 800-1500 ° С утворюються карбонізовані, при 2500-3000 ° С графітовані Карбоволокніти. Для отримання піровуглеродних матеріалів ущільнювач викладається за формою вироби і поміщається в піч, в яку пропускається газоподібний вуглеводень (метан). При певному режимі (температурі 1100 ° С і залишковому тиску 2660 Па) метан розкладається і утворюється піролітичний вуглець осідає на волокнах ущільнювача, пов'язуючи їх.

Утворений при  піролізі сполучного кокс має високу міцність зчеплення з вуглецевим волокном. У зв'язку з цим композиційний  матеріал володіє високими механічними властивостями, стійкістю до термічного удару.

Карбоволокніт з вуглецевої матрицею типу КУП-ВМ за значеннями міцності і ударної в'язкості в 5-10 разів перевершує спеціальні графіти; при нагріванні в інертній атмосфері і вакуумі він зберігає міцність до 2200 ° С, на повітрі окислюється при 450 ° С і вимагає захисного покриття. Коефіцієнт тертя одного карбоволокніта з вуглецевої матрицею з іншого високий (0,35-0,45), а знос малий (0,7-1 мкм на гальмування).

Полімерні Карбоволокніти використовують в судно-і автомобілебудуванні (кузова гоночних машин, шасі, гребні гвинти), з них виготовляють підшипники, панелі опалення, спортивний інвентар, частини ЕОМ. Високомодульні Карбоволокніти застосовують для виготовлення деталей авіаційної техніки, апаратури для хімічної промисловості, в рентгенівському устаткуванні й ін

Карбоволокніти з вуглецевої матрицею замінюють різні типи графітів. Вони застосовуються для теплового захисту, дисків авіаційних гальм, хімічно стійкої апаратури. 

Бороволокніти 

Бороволокніти є композиції з полімеру і ущільнювача - борних волокон.

Бороволокніти відрізняються високою міцністю при стисненні, зсуві і зрізі, низькою текучістю, високими твердістю і модулем пружності, теплопровідністю і електропровідністю. Комірчаста мікроструктура борних волокон забезпечує високу міцність при зсуві на межі розділу з матрицею.

Крім безперервного  борного волокна застосовують комплексні боростеклоніти, в яких кілька паралельних  борних волокон обплітаються стеклонітом, що надає формостійкість. Застосування боростеклонитів полегшує технологічний процес виготовлення матеріалу.

Як матриці для отримання бороволокнітів використовують модифіковані епоксидні і поліїмидні сполучні. Бороволокніти КМБ-1 і КМБ-1к призначені для тривалої роботи при температурі 200 ° С; КМБ-3 і КМБ-Зк не вимагають високого тиску при переробці і можуть працювати при температурі не більше 100 ° С; КМБ-2к працездатний при 300 ° С .

Вплив на механічні  властивості бороволокнітів вмісту волокна наведено на рис.8, а вплив різних матриць - на рис.12.

 

Рис.8. Залежність механічних властивостей Бороволокніти КМБ-1 від змісту борного волокна:

Е - модуль пружності;

σІЗГ - межа міцності при вигині;

G - модуль зсуву;

τВ - межа міцності при зсуві

Бороволокніти володіють високими опорами втоми, вони стійкі до впливу радіації, води, органічних розчинників і паливно-мастильних матеріалів.

  Рис.9. Залежність руйнівної напруги при згині бороволокнітів на різних єднальних від температури: 1, 2 - епоксидне, 3 - поліїмидні, 4 - кремнієорганічна сполучна

Оскільки борні  волокна є напівпровідниками, то бороволокніти володіють підвищеною теплопровідністю і електропровідністю: λ = 43 кДж / (м ∙ К); α = 4 ∙ 10-6 С-1 (вздовж волокон); ρV = 1,94 ∙ 107 Ом ∙ см ; е = 12,6 ÷ 20,5 (при частоті струму 107 Гц); tgδ = 0,02 ÷ 0,051 (при частоті струму 107 Гц). Для бороволокнітів міцність при стисненні в 2-2,5 рази більше, ніж для карбоволокнітах.

Вироби з бороволокнітів застосовуються в авіаційній і космічній техніці (профілі, панелі, ротори і лопатки компресорів, лопаті гвинтів та трансмісійні вали вертольотів і т.д.). 

Органоволокніти 

Органоволокніти представляють собою композиційні матеріали, що складаються з полімерного сполучного і ущільнювачів (наповнювачів) у вигляді синтетичних волокон. Такі матеріали характеризуються малою масою, порівняно високими питомою міцністю і жорсткістю, стабільні при дії знакозмінних навантажень і різкій зміні температури. Для синтетичних волокон втрати міцності при текстильній переробці невеликі, вони малочутливі до пошкоджень.

У органоволокнітах значення модуля пружності і температурних  коефіцієнтів лінійного розширення ущільнювача і сполучного близькі. Відбувається дифузія компонентів сполучного в волокно і хімічна взаємодія між ними. Структура матеріалу бездефектна. Пористість не перевищує 1-3% (в інших матеріалах 10-20%). Звідси стабільність механічних властивостей органоволокнітів при різкому перепаді температур, дії ударних і циклічних навантажень. Ударна в'язкість висока (400-700 кДж/м2). Недоліком цих матеріалів є порівняно низька міцність при стисненні і висока текучість (особливо для еластичних волокон).

Органоволокніти стійкі в агресивних середовищах  і у вологому тропічному кліматі; діелектричні властивості високі, а  теплопровідність низька. Більшість органоволокнітів може довго працювати при температурі 100-150 ° С, а на основі поліїмідних і поліоксадіазольних волокон - при 200-300 ° С.

У комбінованих матеріалах поряд з синтетичними волокнами застосовують мінеральні (скляні, карбоволокна і бороволокна). Такі матеріали мають більшу міцність і твердість.

Органоволокніти застосовують в якості ізоляційного і конструкційного матеріалу в електрорадіопромисловості, авіаційної техніки, автобудуванні, з них виготовляють труби, ємності для реактивів, покриття корпусів суден та ін