Композиционные материалы

       Карбид-кремниевые волокна обладают высокими упругими свойствами: модуль упругости при растяжении составляет ^ 450 ГПа (для сравнения: борные волокна ^ 400 ГПа, сталь ^ 200 ГПа, алюминий ^ 70 ГПа). Плотность карбид-кремниевых волокон составляет примерно 3100 кг/м³, плотность борных волокон — 2300 ... 2500 кг/м³ в зависимости от основы (волокна на углеродной основе имеют обычно меньшую плотность).

       Гладкая шероховатость поверхности волокон обычно является признаком нарушения параметров процесса осаждения и сопровождается снижением прочностных качеств. Волокна с углеродными нитями в качестве основы способны в течение длительного времени выдерживать воздействие высоких температур без проявления какой-либо химической активности. Это обстоятельство служит основанием для широкого использования таких волокон в сочетании с металлическими матрицами, когда волокно длительное время контактирует с жидким металлом в процессе пропитки. При использовании волокон на вольфрамовой основе при высокотемпературном воздействии имеет место диффузия атомов углерода в вольфрам с образованием граничного слоя карбида вольфрама, который приводит к потере прочности волокна. 

Вывод 

       Мы  уже изучили большинство видов  и классификаций главных составляющих, а именно, армирующие волокна и  связующие их элементы, такие как  полимеры, смолы и металлические матрицы. Теперь можем выделить некоторые их преимущества и недостатки.

  

Преимущества  композиционных материалов:

· высокая  удельная прочность

· высокая  жёсткость (модуль упругости 130...140 ГПа)

· высокая  износостойкость

· высокая  усталостная прочность

· из композиционных материалов возможно изготовить «размеростабильные»  конструкции, причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими  преимуществами.

Замечание: Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно. 

Недостатки  композиционных материалов:

Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

· высокая  стоимость

· анизотропия  свойств

· повышенная «наукоёмкость» производства, необходимость  специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны. 
 

Глава 2. Технология производства

2.1 Основные элементы технологии производства полиэфирных смол и изделий из них

       Процесс производства ненасыщенных полиэфирных  смол обычно является периодическим. Это связано с тем, что состав исходного сырья может варьироваться, что требует периодической приостановки и перенастройки технологического процесса. Для получения смолы используют химические реакторы, в которых смешивают исходные компоненты. Процесс перемешивания и начальные стадии реакции образования «полиэфира» идут при невысокой температуре в атмосфере инертных газов. В конце процесса образования полиэфира температура повышается до 190 ... 220 °С После достижения требуемых показателей полиэфир перемещается в другой реактор, где идет его перемешивание с активирующими компонентами. Особо контролируется температура процесса перемешивания с тем, чтобы избежать начала полимеризации до завершения подготовки реакционной массы. С той же целью в массу могут вводиться ингибиторы — вещества, замедляющие химическую реакцию. Полный цикл производства длится 10 ... 20 часов. 

Производство  изделий из ненасыщенных полиэфирных смол

       Применяются различные способы переработки  полиэфирных смол. Наиболее широкое применение нашли следующие: ручная выкладка, формование из предварительно подготовленных заготовок, центробежное литье, пултрузия и намотка, штамповка, автоматическое литье под давлением Каждый метод требует применения специальных условий отверждения. Для тих условий экспериментально подбирается подходящее сочетание активаторов, инициаторов и ингибиторов. 

       Ручная выкладка

       Ручная выкладка представляет собой простейший способ использования смол — жидкую смолу с инициатором и слоями стеклоткани или иного армирующего материала помещают в форму с помощью ручных инструментов (кисть, валик и т. п.), в которой подготовленная масса находится до наступления отверждения. Иногда используют технику напыления смолы вместе с измельченным стекловолокном на поверхность формы (шаблона). Для удаления пузырьков воздуха неотвержденное до конца изделие прокатывают валиками. Такой способ позволяет изготавливать изделия практически любой формы и размеров, однако он является весьма трудоемким и малопроизводительным. Кроме того, требуется достаточно высокий навык операторов для формирования изделий требуемой толщины. 

       Формование изделий из предварительно подготовленных заготовок

       При этом методе сначала формуются (прессуются) заготовки из стекловолокна с небольшим количеством связующего. Затем эти заготовки помещаются в пресс-форму и заливаются смолой. Под давлением смола пропитывает стекловолокно, вытесняя воздух и отверждается. 

       Центробежное литье

       При центробежном литье смола и армирующий материал помещаются во вращающуюся литьевую форму, в которой под действием центробежных сил принимают требуемую форму. Процесс литья может сопровождаться термообработкой. 

       Пултрузия и намотка

       В тих технологических процессах в качестве армирующего компонента используется стренга. Стренга (другое наименование — жгут) представляет собой пучок из 50... 200 непрерывных нитей (лент), собранных в единый компактный жгут без крутки. Стренгу протягивают через ванну с инициированной смолой, а затем либо вытягивают через нагретую фильеру (пултрузия), либо наматывают на оправку. Отличительной чертой изделий, полученных по такой технологии, является высокая прочность. Намоткой получают емкости, трубы и другие изделия, работающие под давлением. Пултрузия применяется для изготовления различных конструкционных профилей и т. п. изделий, имеющих сравнительно массивное сплошное поперечное сечение. 

       Штамповка

       Штамповка применяется при изготовлении крупногабаритных изделий, таких как, например, кузова автомобилей. В качестве исходного материала используется предварительно приготовленная смесь смолы, наполнителя, измельченного армирующего компонента, инициатора и ингибитора, предотвращающего преждевременное отверждение. Подготовленная вязкаю масса помещается в горячую форму (штамп) и подвергается воздействию высокого давления на короткое время (1-2 минуты), в течение которого и происходит отверждение.

       Иногда при штамповке используются предварительно подготовленные пресскомпозиции в виде плоских листов. При штамповке обычно применяются смолы с малой усадкой, что делает ненужной последующую обработку поверхности штампованного изделия. 

       Автоматическое литье под давлением

       Автоматическое литье под давлением применяется при изготовлении небольших изделий. Полиэфирную смолу пластифицируют на теплом барабане и вводят в горячую форму, в которой происходит отверждение. Загрузка в форму и выемка готовых изделий выполняются автоматически, что делает процесс весьма высокопроизводительным.

       Основы технологии изготовления металлической матрицы

       Технологии получения композитов с металлическими матрицами построены в основном на использовании препрегов. Препреги представляют собой однослойные ленты различных размеров с одним рядом армирующих волокон или ткани, пропитанных или покрытых матричным металлом (сплавом) с одной или обеих сторон. Используются также жгуты волокон, пропитанные металлом, и индивидуальные волокна, покрытые матричным металлом, сплавом или его компонентами. Впоследствии препреги используют для получения компактных заготовок: листов, полос: плит, труб и т. п., которые подвергаются процессам формообразования, раскроя, сварки, механической обработки. В некоторых случаях этапы компактирования и формообразования совмещаются — такие процессы изготовления изделий считаются одностадийными. 

             К жидкофазным способам относят:

       - протяжку волокон, жгутов и тканей через расплавы металлов и матричных сплавов для пластифицирования волокон и получения препрегов;

       - пропитку пакетов препрегов металлическими расплавами на стадиях изготовления полуфабрикатов и изделий в автоклавах под небольшим избыточным давлением, а также методами литейной технологии;

       - плазменное и некоторые другие виды газотермического распыления металлов. 

       Пластическое деформирование

       В большинстве случаев конструкционные композиты с металлической матрицей получают пластическим деформированием сборных заготовок из полуфабрикатов. Основная задача такого деформирования — преобразование неплотной заготовки в компактный полуфабрикат или изделие с прочным соединением матрицы с армирующими волокнами без нарушения сплошности и термического разупрочнения арматуры. 

       Метод плазменного напыления

       Существует два варианта получения КМ с использованием плазменного напыления матричного сплава на армирующие волокна:

       - непрерывное волокно с фиксированным шагом наматывают на приемный барабан, затем на волокно напыляют матричный сплав;

       - на поверхность барабана укладывают фольгу из матричного сплава, наматывают на нее с заданным шагом волокно и проводят напыление сплава. 

       2.1.1   Производство стекловолокон

       Исходный технологический процесс для получения всех видов стекловолокон — процесс вытяжки нитей из расплава. Сырьем при этом является смесь кварцевого песка, известняка, борной кислоты и других компонентов (глина, уголь, шпаты). Компоненты перемешиваются, полученная смесь плавится в высокотемпературных печах. Температура плавления зависит от состава смеси, в среднем составляет примерно 1260 ° С Получение волокон может представлять собой одно- либо двухстадийный процесс. При одностадийном процессе стекловолокна вытягиваются непосредственно из полученного расплава. Реже применяется двухстадийный процесс, при котором из первичного расплава получаются стеклосферы, которые затем вторично расплавляются и полученный расплав подается в установки для формования волокон.

       Расплав стекломассы помещается в специальную емкость, в днище которой имеются профилированные отверстия (фильеры). Сама емкость (бушинг) обычно изготавливается из платиновых сплавов. В емкости с расплавленной стекломассой создается избыточное давление, под действием которого расплав выдавливается через фильеры (процесс экструзии). Сразу после прохождения через фильеры элементарные волокна подвергаются первичной обработке:

       - интенсивное механическое растяжение;

       - охлаждение в потоке водяных брызг (в подфильерном холодильнике);

       - объединение элементарных волокон в жгут (стренгу);

       замасливание жгута (стренги).

       Замасливание представляет собой процесс нанесения покрытия на поверхность волокон, которое способствует их объединению в жгут (слипанию) и снижает трение между волокнами, препятствуя тем самым образованию поверхностных микротрещин, которые снижают прочность волокна. После замасливания жгут поступает на приемный барабан. Скорость приема жгута превышает 3 км/мин. Партия жгута с барабана проходит кондиционирование (выдерживание при заданных условиях), после чего поступает на дальнейшую переработку для получения собственно армирующего материала. 

       Иногда применяют способ «воздушного вытягивания», при котором стекломасса, прошедшая сквозь фильеры вытягивается и разрывается в струе воздуха. Полученные волокна длиной 200 ... 400 мм собираются на вращающемся барабане и объединяются в стренгу (жгут), которая поступает на дальнейшую переработку. Такой тип стекловолокна называют «штапельным».