Композиционные материалы

       Термостабильные соединения слабо реагируют на изменение температуры. Их физические свойства мало изменяются вплоть до терморазрушения. Такое поведение характерно для полимеров с сетчатой и пространственной структурами макромолекул, а также для некоторых материалов, имеющих линейную высокоориентированную полярную структуру. 

Физико-механические свойства полимеров

       Физико-механические свойства полимеров опреледяются не только их химическим составом, но и физическим состоянием. Полимеры могут находиться в аморфном или частично кристаллическом состоянии. В случае аморфного состояния упорядоченное строение наблюдается только на расстояниях, сравнимых с размерами звеньев цепи. Под кристалличностью понимается упорядоченное расположение макромолекул. Для кристаллических полимеров порядок в расположении молекул наблюдается на расстояниях во много раз превышающих размеры звеньев цепи полимера. 

       Обычно для полимеров характерно смешанное состояние, когда часть объема находится в кристаллическом состоянии, а часть — в аморфном. Принято считать, что полимер находится в кристаллическом состоянии, если это состояние имеет 60 и более процентов его объема. Степень кристалличности зависит от условий, в которых полимер находится (температура, влажность, механическое нагружение и т. п.). 

       Даже в кристаллическом состоянии полимеры по своим деформационным свойствам отличаются от низкомолекулярных соединений, например, металлов. Возрастание деформаций приводит к тому, что макромолекулы вытягиваются вдоль направления деформирования. Ориентированные полимеры характеризуются анизотропией физико-механических свойств и возрастанием прочности по сравнению с полимерами в разориентированном кристаллическом состоянии. Ориентированное состояние может быть зафиксировано путем «вытягивания» полимера при повышенной температуре и последующего охлаждения в деформированном состоянии. 
 
 

1.1.2 Смолы и их свойства

       Полиэфирные смолы содержат несколько компонентов: смола, инициатор, наполнитель и активатор. Смола служит основой, активатор повышает ее химическую активность, инициатор запускает химическую реакцию, в результате которой смола отвердевает. При отверждении идет образование прочной пространственной структуры, реакция отверждения проходит с выделением теплоты, что способствует более полному протеканию процесса. В качестве наполнителя чаще всего используются стекловолокна.

       Свойства полиэфирных смол достаточно разнообразны, стоимость их невысока. Разнообразие свойств и доступность смол являются причиной их широкого применения. Из наполненных полиэфирных смол изготавливают детали судов, самолетов, автомобилей, строительные панели, корпуса маломерных судов, спортинвентарь и многое другое.

       Механические свойства полиэфирных смол варьируются в широких пределах вследствие различий в технологиях их изготовления и свойств используемых компонентов.

       Помимо армирующих элементов в полиэфирные смолы часто вводят другие наполнители. Одна из основных причин для этого — желание снизить стоимость готовых изделий. Кроме этого, наполнители позволяют влиять на параметры процесса отверждения, способствуют снижению степени усадки и вероятности образования трещин при отверждении, повышают качество поверхностей. Наиболее распространенные наполнители — глины и карбонаты. Маесовая доля наполнителя колеблется в пределах 10-70 % (чаще всего — 20-30 %).

       Могут применяться и другие виды наполнителей — красители и пигменты (слабо влияют на механические характеристики, позволяют управлять временными характеристиками процесса отверждения), ингибиторы горения (повышают огнестойкость), поглотители УФ-излучения и др. 

       Основные достоинства армированных полиэфирных смол:

       - удельная прочность выше, чем у многих других материалов;

       - низкая стоимость сырья и производства, простые технологии;

       - возможность изготовления крупногабаритных изделий сложной формы, что упрощает конструирование и сборку изделий. 

       При использовании полиэфирных смол для изготовления композитов необходимо учитывать ряд факторов, среди которых можно выделить следующие:

       - зависимость механических характеристик композита от содержания и ориентации армирующих элементов (стекловолокна), а также наличия некоторых наполнителей;

       - проблемы, связанные с усталостью материала, устойчивостью к истиранию, воздействию растворителей и химикатов, способностью некоторых типов армирующих наполнителей (стекловолоконные жгуты) впитывать влагу и др. 

Типы ненасыщенных полиэфирных смол

       Проявляемые ненасыщенными полиэфирными смолами типичные свойства служат основой для выделения среди них нескольких основных типов. 

Полиэфирные смолы общего назначения

       Этот тип смол обычно применяется для изготовления изделий и элементов конструкций бытового назначения либо слабонагруженных конструкционных элементов. Смолы ипользуются в основном в чистом виде, без армирования. Примеры применения: емкости для жидкостей, стойки, поддоны и т. п.

Эластичные полиэфирные смолы

       Такие смолы отличаются большей эластичностью и меньшей жесткостью по сравнению со смолами общего назначения. Эти смолы обычно используются в качестве добавок к другим типам смол для снижения их хрупкости и жесткости, а также облегчения обработки. Находят применение при изготовлении декоративных изделий, пуговиц и т. п. 

Смолы на основе диэфиров винилкарбоновых кислот (ДВК)

       Данный вид смол очень похож на полиэфирные смолы. Основная цепь макромолекул таких смол состоит из эпоксидных, полиэфирных либо полиурета-новых сегментов. Отличие от полиэфирных смол заключается в химическом составе концевых элементов макромолекул. Вид этих элементов влияет на физические свойства и области применения смол. Характерной особенностью смол является зависимость их свойств от величины эпоксидных блоков, входящих в состав макромолекул — чем больше молекулярная масса таких блоков, тем выше прочность и эластичность смолы, но тем ниже ее теплостойкость и устойчивость к действию растворителей. Типичные значения механических характеристик смол на основе ДВК.

       Смолы обладают высокой реакционной способностью, поэтому для их отверждения удобно использовать методы облучения.

       ДВК-смолы эффективно отверждаются при радиационном облучении, облучении электронными пучками и другими источниками излучения. Часто используется отверждение под действием УФ-излучения, время отверждения при этом может быть очень малым — порядка 0,1 сек. Преимущества отверждения под действием излучения по сравнению с термическими методами: высокая энергетическая эффективность, снижение (или полное исключение) испарения компонентов, высокая производительность процесса, отверждение при комнатной температуре, низкая стоимость оборудования.

Упругие полиэфирные смолы

       Полиэфирные смолы этого типа отличаются большей жесткостью по сравнению с эластичными смолами. Используются при изготовлении изделий, испытывающих ударные нагрузки: защитные шлемы, ограждения, детали корпусов автомобилей и самолетов. 

Эпоксидные смолы

       Эпоксидные смолы являются одним из лучших видов связующего для большого числа волокнистых КМ. Основные причины этого заключаются в следующем:

       - эпоксидные смолы обладают хорошей адгезией к большому числу наполнителей и армирующих компонентов;

       - известно большое количество разновидностей доступных эпоксидных смол и отверждающих компонентов, что позволяет получать материалы с широким сочетанием свойств;

       - реакция отверждения не сопровождается выделением воды или каких-либо летучих веществ, при этом усадка смол ниже, чем во многих других случаях;

       Изделия из эпоксидных смол отличает повышенная стоимость по сравнению с другими смолами, но высокие эксплуатационные свойства изделий из таких смол окупают расходы на сырье. 

Устойчивые к атмосферным воздействиям

       Основное назначение смол этого типа — сохранение свойств под действием солнечного света. С этой целью в них вводят компоненты, поглощающие ультрафиолетовое излучение, а также подбирают компоненты, устойчивые к воздействию солнечного излучения. Такие смолы применяются в строительстве при изготовлении перекрытий, наружных панелей облицовки зданий, крыш. 

Полиэфирные смолы с малой усадкой

       Усадка смол в процессе отверждения может приводить к появлению дефектов (раковин) на поверхности создаваемых изделий. Полиэфирные смолы с малой усадкой включают в себя термопластичные компоненты (например, полистирол), которые только частично ратворяются в исходной композиции. В таких смолах при отверждении имеет место образование внутренних микропустот (микропор), которые компенсируют обычную усадку полимерной смолы. Смолы с малой усадкой применяются при изготовлени деталей автомобилей и бытовой электротехники. 

Полибутадиеновые смолы

       Полибутадиеновые смолы — это высокомолекулярные углеводородные термореактивные смолы. Особенностью технологии приготовления полибутадиеновых смол является создание на концах макромолекул реакционно-способных групп. Эти группы придают макромолекулам способность наращивать свою массу еще до начала процесса отверждения. Полибутадиеновые смолы отличаются очень хорошими электрическими свойствами и химической стойкостью, а также устойчивостью к воздействию влаги. Такое сочетание свойств позволяет успешно применять ПБ-смолы при изготовлении обтекателей авиационных бортовых радиолокационных антенн, для которых особые требования предъявляются к толщине, диэлектрической проницаемости и устойчивости к воздействию окружающей среды в сильных электромагнитных полях. В тех случаях, когда нет особых требований по электрическим свойствам, применение полибутадиеновых смол оказывается не столь выгодным, поскольку их механические свойства уступают другим аналогичным материалам. 
 

Химически стойкие полиэфирные смолы

       Для смол общего назначения характерна слабая устойчивость к воздействию щелочей. Использование компонентов, повышающих содержание углерода в смоле, приводит к снижению количества химически активных связей. Такие смолы используют в производстве деталей химического оборудования — вытяжных шкафов, корпусов химических реакторов, емкостей, трубопроводов. 

Специальные полиэфирные смолы

       Смолы этой категории применяются реже. Однако все они представляют собой композиции со специально подобранными компонентами (наполнителями, активаторами), которые обеспечивают им наличие некоторых специальных свойств, например, повышенную теплостойкость, отверждаемость под действием ультрафиолетового или другого излучения и т. п. Масштабы производства специальных смол существенно ниже, чем других выделенных типов. Собственно, именно эта причина служит основой для объединения их в одну категорию. 

Термостойкие смолы

       Термостойкие смолы представляют собой полимеры, имеющие высокую температуру стеклования и способные выдержать на воздухе продолжительный 300 ^°C

       Полиимидные смолы отличаются высокой стабильностью своих свойств, в том числе после длительного пребывания под действием высоких температур. Испытания показывают, что механические свойства смол сохраняются после выдерживания образцов при температуре ~ 370 °C на воздухе в течение примерно 5 суток, в кипящей воде — до 2-х недель. 
 

1.1.3 Металлические матрицы и их свойства

       Связующие из полимеров находят широкое применение при создании КМ, однако они имеют ряд недостатков, основными среди которых являются следующие:

       - низкое сопротивление матрицы сдвигу;

       - невысокая прочность связи матрицы и армирующих волокон;

       - невозможность использования в условиях действия температур, превышающих температуру термической деструкции полимера;

       - низкое сопротивление эрозии при воздействии газовых потоков. 

       При выборе способа получения КМ на основе металлической матрицы и оптимизации технологических параметров такого процесса следует учитывать необходимость выполнения следующих условий: