Композиционные материалы icon

Композиционные материалы




НазваКомпозиционные материалы
Сторінка12/12
Дата15.05.2013
Розмір2.79 Mb.
ТипРеферат
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

Рисунок 72 – Схемы формования методом локального прижима: а - с одним роликом; б – с двумя роликами; в – с тремя роликами

Метод намотки широко используется и для производства листовых ПКМ с диагональным переплетением волокон (рис. 73.

Рисунок 73 – Схема установки фирмы «ППГ Индастриз» для диагонального переплетения волокон: 1 – формующая качающая рамка; 2 – паковки (360 шт.); 3 – нитеводители; 4 - одиночные нити стекловолокна; 5 – жгуторазделительная рама; 6 – ванна со связующим; 7 – фильеры; 8 – распорная планка; 9 – рубильная установка; 12 - оправка

Способ заключается в пропускании волокна 4 через ванну со связующим 6 с последующей намоткой на оправку 10 по заданной схеме. После достижения необходимой толщины (≤ 9,6 мм на оправке диаметром 762 мм) материал покрывают защитной пленкой, разрезают вдоль образующей оправки, снимают и разравнивают. Для придания материалу заданных свойств в различных направлениях варьируют угол наклона волокна (наиболее часто он составляет 85 º), а для увеличения прочности в поперечном направлении добавляют короткое рубленное волокно (обычно до 60 % от общего количества волокна).

Отверждение. В процессе отверждения связующего создается конечная структура ПКМ, формируются его свойства и фиксируется форма изделия.

Основные технологические параметры отверждения - температура, время и степень отверждения. Необходимо строго выдерживать параметры, разработанные для каждой комбинации связующего и арматуры.

Отверждение выполняют при комнатной температуре (холодное отверждение), при повышенных температурах (горячее отверждение) в электрических или индукционных печах с автоматическим регулированием температуры либо радиационным способом. При отверждении наблюдаются две характерные стадии, через которые последовательно проходит термореактивное связующее:

- начальная - до возникновения полимерной сетки;

- и конечная - в процессе формирования полимерной сетки.

Эти две стадии отделены друг от друга так называемой точкой гелеобразования.

Точка гелеобразования соответствует тому моменту, когда связующее утрачивает способность переходить в текучее состояние и растворяться, т. е. теряет свою жизнеспособность и технологические качества. Это одна из наиболее важных технологических характеристик процесса отверждения.

В определенной области температур вязкость связующего увеличивается до уровня, соответствующего вязкости твердого тела. Все свойства связующего резко меняются: уменьшается удельный объем, увеличивается твердость, возрастает сопротивление деформации. Жидкое связующее переходит в стеклообразное состояние. Эти изменения происходят, в некотором интервале температур, охватывающем обычно 10-20 °С.

Степень отверждения термореактивных связующих контролируют методами дифференциальных термического и сканирующего калориметрического анализов, по изменению количества связующего, растворяющегося в кипящем растворителе (метод экстракции), а также по частоте химических узлов в полимерной сетке, определяемой косвенно на основе измерения деформационных или упругих свойств полимера.

До полного исчерпания реакционноспособных групп реакция отверждения может протекать только в том случае, если температура отверждения выше температуры стеклования полностью отвержденного связующего Тс∞. При температуре ниже Тс∞ полного отверждения добиться невозможно, в полимере остаются реакционноспособные группы, но их способность к соединению с другими группами очень мала, так как в результате стеклования потеряна подвижность. При эксплуатации ПКМ с не полностью отвержденным связующим при повышенных температурах отверждение продолжается, что приводит к изменению формы и размеров изделия, появлению дополнительных внутренних напряжений.

Если реакция отверждения сопровождается экзотермическим эффектом и температура окружающей среды низкая, внутри материала температура может оказаться выше Тс∞ и связующее затвердеет полностью. На этом принципе основано холодное отверждение термореактивных связующих. Однако для ответственных изделий в большинстве случаев применяют горячее отверждение термореактивных полимеров. Оно технологичнее и позволяет получать более высокие механические свойства ПКМ.

Арматура и связующее в композиции находятся под действием внутренних напряжений, которые можно разделить на три вида:

- структурные;

- усадочные;

- термические.

Структурные напряжения вызываются технологическим натяжением арматуры в процессе намотки. До снятия с оправки структурные напряжения действуют только в волокнах, в связующем их нет. Но после того как намотанное и отвержденное изделие снято с оправки, волокна, находившиеся в растянутом состоянии, частично разгружаются, сжимая связующее.

Перераспределение структурных напряжений протекает во времени, что связано с ползучестью связующего и релаксацией напряжений. В конечном итоге с течением времени структурные напряжения могут снизиться до нуля. Однако этот процесс длится несколько месяцев или лет, и в течение всего этого срока происходит изменение размеров и геометрии изделия, его коробление, что в конечном итоге сказывается на эксплуатационных характеристиках. Чтобы предотвратить эти последствия, изделие перед эксплуатацией подвергают старению для стабилизации свойств. Старение может быть термическим (изделие выдерживается определенное время при повышенных температурах) или более длительным, естественным (длительная выдержка отвержденного изделия при комнатной температуре).

Усадочные напряжения возникают в волокнах и связующем вследствие уменьшения объема (усадки) связующего при его отверждении. Величина усадки может изменяться от 2 до 30 % в зависимости от природы компаунда. Если между компонентами ПКМ существует прочная адгезионная связь, то в связующем возникают растягивающие, а в волокнах - сжимающие усадочные напряжения, которые частично компенсируют структурные напряжения от технологического натяжения. Если связующее обладает недостаточной пластичностью и большой усадкой, то усадочные напряжения могут привести к его растрескиванию в процессе отверждения.

Термические напряжения обусловлены разностью коэффициентов линейного расширения арматуры и связующего и неравномерностью распределения температур в объеме изделия. Как правило, коэффициент линейного расширения у полимеров существенно выше, чем у волокон, поэтому при охлаждении от повышенных до комнатных температур в компонентах ПКМ возникают термические напряжения того же знака, что и при усадке, т. е. связующее оказывается в растянутом состоянии, а волокна - в сжатом. Величина термических напряжений пропорциональна разности коэффициентов линейного расширения матрицы и волокон и градиенту температур.

В реальном ПКМ все рассмотренные напряжения суммируются, и материал находится под действием результирующих напряжений, которые со временем релаксируют. Чтобы способствовать более полной релаксации напряжений и избежать коробления и растрескивания, рекомендуется нагрев и охлаждение изделий из ПКМ производить плавно и с малой скоростью.

Удаление оправки. После намотки и отверждения изделия демонтируют оправку.

К оправкам предъявляют следующие требования:

  • достаточная жесткость и прочность, необходимые для того, чтобы выдержать напряжения, возникающие при формовании изделия;

  • высокая чистота поверхности и точность размеров;

  • стойкость к воздействию повышенных температур, необходимых для отверждения связующего;

  • возможность извлечения оправки после отверждения.

По конструкции оправки делят на цельные, разборные, надувные и разрушаемые.

Цельные оправки применяют при формовании изделий, из которых оправку можно извлечь полностью (цилиндры, конусы, полусферы и т. п.). В этих случаях извлечение оправки из изделия не представляет принципиальных трудностей, если на ее поверхность предварительно нанесено антиадгезионное покрытие. Для облегчения демонтажа поверхность цилиндрических оправок выполняют с небольшим технологическим конусом. Цельные оправки изготавливают из конструкционных сплавов (стали, Al, Ti), пластика или керамики (в основном гипса). Выбор материала оправки определяется размером изделий, их точностью и масштабом производства.

Разборные оправки выполняют из конструкционных сплавов или пластиков и используют при формовании изделий, из которых цельные оправки извлечь нельзя (сферические детали с углом охвата более 180°, комбинации сферических и цилиндрических частей и др.). В этих же случаях используют и надувные оправки. Они удобны, но не обеспечивают высокой точности, поэтому применяют их только для неответственных изделий.

Если контур детали замкнутый или близок к такому, то применяют разрушаемые оправки. Их изготовляют из растворимого или механически разрушаемого гипса, эвтектических сплавов. После формования изделия оправку либо разрушают механически, либо растворяют в воде, либо расплавляют нагревом и удаляют через специальные отверстия.

^ Контроль качества изделий. Процессы получения ПKM и изделий из них, как правило, совмещены, поэтому свойства материала приходится контролировать непосредственно в изделии. Причинами появления дефектов в ПКМ могут быть несоответствие качества исходных компонентов требованиям технических условий и нарушение технологического процесса.

Контролировать качество армированных материалов следует не только после их изготовления, но и в процессе его. Контролируют качество всех исходных компонентов, правильность проведения всех технологических операций, соответствие состава и свойств ПКМ заданным требованиям.

Контролируя качество исходных компонентов, проверяют влажность волокон, их целостность и соответствие физико-механических свойств техническим требованиям, определяют вязкость и время гелеобразования смолы, проводят анализы отвердителей, инициаторов, ускорителей. Качественные материалы складируют для дальнейшего использования.

Технологический процесс контролируют поопера-ционно. При этом проверяют состояние всей технологической оснастки, правильность всех операций, температуру и влажность воздуха, температуру, давление и время отверждения, усилие натяжения арматуры, качество намотки и т. п.

Контроль состава и свойств ПКМ включает внешний осмотр изделий для выявления наружных дефектов (неровностей, трещин, раковин, выходов волокон на поверхность), проверку размеров изделия, определение физико-механических характеристик и состава материала на образцах, вырезанных из изделия или специального припуска на нем, и выявление внутренних дефектов с помощью контрольной аппаратуры.

^ Механическая доработка и соединение с другими деталями. Если после удаления оправки размеры изделия не соответствуют заданным, его механически дорабатывают. Чаще всего подрезают торцы и фланцы, нарезают резьбу, сверлят крепежные отверстия и т. п. Обычно изделия из ПКМ обрабатывают на токарных и сверлильных станках, реже - на расточных и шлифовальных.

Чтобы при токарной обработке поверхностей намотанных конструкций применяют твердосплавные резцы ВК2 и ВК6, реже - ВК8. Разрезают изделия из ПКМ абразивными и алмазными кругами. При обработке ПКМ по возможности не применяют охлаждающие жидкости, так как они, проникая через поверхностные трещины в глубь материала, уменьшают его прочность.

После механической обработки поверхности ПКМ содержит микротрещины. Чтобы повысить стойкость таких материалов в воде, масле и растворителе, на них наносят тонкий (до 20 мкм) слой защитного лака.

Для монтажа и соединения с другими деталями в изделия из ПКМ часто монтируют металлические вставки (типа фланцев или фитингов). С КМ их соединяют клеем или на резьбе. Иногда металлические вставки закладывают в процессе формования и изделие отверждается вместе со вставкой.



    1. ^ Свойства армированных ПКМ


Стеклопластики - это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя стеклянные волокна.

Стеклопластики - одни из первых конструкционных материалов на полимерной основе. Они наиболее полно изучены, их давно применяют в промышленности. В настоящее время выпускают стеклопластики с ориентированным (однонаправленным и перекрестным) и неориентированным (хаотичным) расположением волокон. В первом случае в качестве арматуры используют непрерывные, во втором - дискретные (рубленые или штапельные) волокна. Стекловолокно может иметь круглое или профильное сечение, быть сплошным или полым.

Ориентированные стеклопластики. Однонаправленные стеклопластики получают формованием набора слоев стеклошпона или намоткой на оправку пропитанных стеклянных жгутов. Характерный пример однонаправленного стеклопластика - стекловолокнистый анизотропный материал СВАМ.

Наибольшую прочность и жесткость однонаправленные стеклопластики имеют вдоль волокон. Прочность и модуль упругости с увеличением объемной доли волокон растут по закону аддитивности, однако существует и максимальная объемная концентрация Vmax, которая обеспечивает получение максимума прочности (табл. 21). Для рассматриваемого в табл. 21 стеклопластика Vmax = 65,7 об. %. При большем наполнении волокнами резко возрастает пористость связующего, что приводит к неравномерности нагружения волокон и большому разбросу свойств пластика. Величина Vmax определяется технологией изготовления, видом наполнителя и связующего, их взаимодействием.

Таблица 21 - Влияние степени наполнения на прочность при растяжении однонаправленного стеклопластика [12]



Плотность пластика, т/ма

Весовая доля связующего, %

Объемная доля, %

Разрушающее напряжение при растяжении, МПа

наполнителя

связующего

пор

пластика

волокон в пластике

1,90

29,5

52,6

47,2

0,2

1470

2800

1,92

25,7

56,2

41,5

2,3

1510

2680

2,02

22.0

62,0

37,4

0,6

1770

2840

2,00

20,6

62,5

34,6

2,9

1690

2700

2,02

17,6

65,7

30,1

4,2

1800

2740

2,00

15,6

66,5

26,2

7,3

1730

2600

1,80

11,3

65,5

17,9

16,6

1460

2230

Примечание. Связующее - ЭДТ-10, наполнитель - первичная стеклонить бесщелочного алюмоборосиликатного состава, замасливатель - парафиновая эмульсия

Использование высокопрочных стеклянных волокон марок Е и ВМ-1 позволяет получить прочность однонаправленных стеклопластиков в направлении волокон 1600-2100 МПа, при этом удельная прочность в несколько раз выше, а удельный модуль имеет примерно такую же величину, как у алюминиевых сплавов и сталей (табл. 22) [12].

Таблица 22 – Сравнительные характеристики некоторых материалов



Материал

Плотность γ, т/м3

Разрушающее напряжение при растяжении σр , МПа

Модуль упругости при растяжении Е, ГПа

, см

, см

Однонаправленный стеклопластик на основе:

волокна Е

2,10

1600

56

76

2660

волокна ВМ-1

2,20

2100

70

96

3200

Ортогонально-перекрестный стеклопластик СВАМ (волокно Е):

10:1

1,90

950

54

50

2840

1 :1

1,90

500

35

26

1850

Стеклотекстолит на основе:

волокна ВМ-1

1,95

860

37

44

1900

Сталь 30ХГСА

7,85

1600

210

21

2680

Дуралюмин Д16

2,80

460

72

17

2570

Прочность однонаправленных стеклопластиков в направлении, перпендикулярном к осям волокон, низка, она определяется в основном свойствами связующего.

Перекрестно армированные ориентированные стеклопластики лишены этого недостатка. Их получают укладкой стеклошпона, нитей или жгутов в различных направлениях или использованием в качестве арматуры стеклотканей (стеклотекстолиты). Изменяя соотношение числа монослоев в различных направлениях, можно в широких пределах (табл. 19) регулировать прочность и модуль упругости стеклопластиков (отношения 10 : 1 и 1 : 1 обозначают отношения чисел слоев наполнителя во взаимно перпендикулярных направлениях; в материале с отношением 10 : 1 свойства указаны в направлении 10).

Механические свойства стеклотекстолитов можно варьировать, применяя различные марки волокон, используемых при изготовлении стеклотканей, виды переплетения волокон в ткани (сатиновое, саржевое, полотняное), соотношения чисел волокон по основе и утку (ткани могут быть равнопрочные, имеющие одинаковое количество волокон по основе и по утку, кордные, у которых практически все волокна расположены в одном направлении, и промежуточного строения).

К числу широко применяемых ПКМ следует отнести стеклопластики, армированные полыми и профильными стеклянными волокнами.

Стеклопластики с полыми волокнами меньше весят, у них повышенные удельные прочность и жесткость при изгибе и сжатии. Они также имеют низкую величину диэлектрической постоянной и достаточно прозрачны.

Использование профильных (прямоугольных, шестигранных и др.) стекловолокон позволяет добиться большой (до 90 об % и выше) объемной концентрации арматуры в ПКМ и получить материалы с почти изотропными свойствами (последнее достигается прецизионной намоткой стеклянной микроленты шириной 400 мкм и толщиной 13 мкм). Применение волокон с формой сечения в виде эллипса с соотношением осей 4:1 позволяет в 2 раза повысить поперечную жесткость стеклопластика в направлении главной оси эллипса. В ПКМ с полыми волокнами сложно обеспечить высокое качество самих волокон; кроме того, они обладают повышенным водопоглощением. Профильные волокна имеют сравнительно низкую прочность при растяжении (~ 140 МПа), что вызвано недостатками метода их формования.

Однонаправленные стеклопластики используют для изготовления профильных изделий - уголков, швеллеров, тавров, трубок; их применяют для усиления и снижения массы металлических конструкций - баллонов внешнего и внутреннего давлений.

Материалы с перекрестным армированием применяют в различных строительных конструкциях типа оболочек, в секциях крыльев, хвостового оперения и фюзеляжа самолетов. Из этих материалов получают плиты, трубы, контейнеры, корпусы ракетных твердотопливных двигателей, сосуды высокого давления, лопасти вертолетов, радиолокационные обтекатели, топливные баки, авиационную броню, корпусы машин, пресс-формы, предохранительные кожухи станков, изоляторы для электродвигателей и трансформаторов, футеровку емкостей для химического машиностроения и многие другие изделия для различных областей техники.

Неориентированные стеклопластики содержат хаотично расположенные в плоскости (реже - в пространстве) короткие волокна и характеризуются большей, чем у ориентированных пластиков, изотропностью свойств. Их прочность и жесткость меньше, но в то же время и стоимость ниже, чем у ориентированных ПКМ.

К числу неориентированных стеклопластиков относят пресс-волокниты. Их получают из стекловолокон длиной 5-100 мм и частично отвержденного связующего формованием в пресс-формах при высоких давлениях (сотни МПа). Физико-механические свойства некоторых пресс-волокнитов приведены в табл. 23.

Таблица 23 – Физико-механические свойства некоторых пресс-волокнитов

Показатели

Марки пресс-волокнитов

АГ-4В

33-18В

П-5-2

КМС-9

Плотность, т/м3

1,7-1,9

1,9

1,7-1,8

1,6-1,9

Разрушающее напряжение, МПа, при













растяжении

80

130-180

-

15-18

изгибе

120

200

140

40

сжатии

130

150

130

80

Ударная вязкость, МДж/м2

3,0

20,0

5,0

1,7

Коэффициент термического линейного расширения × 105, 1/ºС

1-1,5

-

5,7-7,4

2,3

Усадка при формовании, %

0,15

0,5

0,1

0,2-0,3

Промышленность также производит стеклопластики на основе матов (стеклохолстов) из хаотично расположенных нитей или штапельных волокон, скрепленных между собой механически (прошивкой) либо с помощью различных эмульсий и смол. Маты совместно со связующим подвергают контактному или вакуумному формованию.

К неориентированным стеклопластикам относятся также материалы, получаемые одновременным напылением рубленых волокон и связующего на форму. Такая технология позволяет механизировать получение заготовок и снизить стоимость ПКМ.

Неориентированные пластики применяют в производстве светопрозрачных покрытий теплиц, корпусов лодок, катеров, автомобилей, мебели, дачных домиков, покрытий полов, облицовки бетонных и железобетонных конструкций, силовых деталей электрооборудования и др.

Один из существенных недостатков ориентированных пластиков - их низкая прочность при межслоевом сдвиге. Этот недостаток в значительной степени преодолен в стеклопластиках с пространственным армированием. Получают его, применяя в качестве наполнителя многослойные пространственно сшитые стеклоткани. При этом сдвиговая прочность КМ возрастает в 2-2,5 раза, но из-за существенного искривления волокон уменьшается прочность при растяжении.

Углепластики - это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. В литературе углепластики называют также карбоволокнитами, карбопластами и углеродопластами.

Углеродные волокна получают пиролизом органических волокон в инертной среде. В зависимости от температуры нагрева исходных волокон получают низко- или высокомодульные углеродные волокна, которые выпускают в виде жгутов и лент различной ширины.

Углепластики с низкомодульными волокнами в качестве конструкционных не используют. Из них производят токопроводящие, теплозащитные и антифрикционные материалы.

Конструкционные углепластики содержат в качестве наполнителя высокомодульные (с модулем упругости 15000 – 50000 МПа) и высокопрочные (σв > 150 МПа) углеродные волокна.

Для конструкционных углепластиков характерны низкая плотность, высокий модуль упругости, прочность, термостойкость, низкий коэффициент линейного расширения, высокие тепло- и электропроводность.

Свойства углепластиков определяются материалом связующего, свойствами, концентрацией и ориентацией волокон. Углепластики на основе эпоксидных смол имеют высокие характеристики прочности при температурах ниже 200 °С (табл. 24). Эти ПКМ чаще всего производят из препрегов, выпускаемых в виде лент различной ширины. Прочность при растяжении и изгибе для однонаправленных углепластиков может составлять 100-160 МПа, а модуль упругости – 10000 - 25000 МПа и более. По удельной прочности и жесткости углепластики превосходят стеклопластики, сталь, алюминиевые и титановые сплавы.

Таблица 24 - Свойства высокомодульных и высокопрочных эпоксидных углепластиков [12]

Показатели

Величины для материала

высокомодульного

высокопрочного

Плотность, т/м3

1,5

1,5

Прочность, МПа, при:







растяжении, изгибе

1000

1500

сжатии

800

900

межслойном сдвиге

50

80

Модуль упругости, ГПа, при:







растяжении, изгибе

180

110

Усталостная прочность при изгибе на базе 107 циклов, МПа

-

800

В углепластиках, предназначенных для длительной работы при температурах до 250°С, используют фенольные, до 300°С - кремнийорганические и до 330ºС - полиимидные связующие.

Еще более выраженным, чем у стеклопластиков, недостатком углепластиков является низкая прочность при межслоевом сдвиге. Это связано со слабой адгезией полимеров к углеродным волокнам. Чтобы повысить адгезию, используют несколько способов: травление поверхности волокон окислителями (например, азотной кислотой); выжигание замасливателя; аппретирование; предварительное покрытие волокон тонким слоем смачивающего их мономера; вискеризацию.

Применение этих методов позволяет повысить прочность при межслойном сдвиге до 10 МПа и увеличить прочность при сжатии, которая непосредственно связана со сдвиговой прочностью ПКМ.

Анизотропия свойств у углепластиков выражена ещё более резко, чем у стеклопластиков. Связано это с тем, что отношение модулей упругости наполнителя и связующего у углепластиков (100 и более) существенно выше, чем у стеклопластиков (~ 20-30). Для углепластиков также характерно отличие между упругими свойствами самих волокон вдоль оси и перпендикулярно к ней, что приводит к дополнительной анизотропии. В тех случаях, когда в конструкции необходима меньшая анизотропия механических характеристик, используют перекрестно армированные материалы.

Углепластики отличает высокое сопротивление усталостным нагрузкам. По величине предела выносливости на единицу массы углепластики значительно превосходят стеклопластики и многие металлы. Одной из причин этого является меньшая, чем, например, у стеклопластиков, деформация при одинаковом уровне напряжений, снижающая растрескивание полимерной матрицы. Кроме того, высокая теплопроводность углеродных волокон способствует рассеиванию энергии колебаний, что снижает саморазогрев материала за счет сил внутреннего трения.

Резко выраженным свойством углепластиков является их высокая демпфирующая способность и вибропрочность. По этим показателям углепластики превосходят металлы и некоторые другие конструкционные материалы. При этом возможно регулирование демпфирующей способности за счет изменения угла между направлением армирования и приложения нагрузки. Максимум логарифмического декремента затуханий приходится на углы 15-30 °.

Сочетание высокой жесткости, усталостной и вибрационной прочности делает углепластики перспективным материалом для конструкций, которые работают в условиях возможного возникновения флаттера (обшивки самолетов, лопатки вентиляторов двигателей и т. п.), и для других деталей летательных аппаратов.

Характерная особенность углепластиков - высокая теплопроводность, которая зависит от объемной доли и ориентации волокон, а также от направления теплового потока. Так, теплопроводность однонаправленного углепластика на эпоксидном связующем в направлении оси волокон составляет около 13 ккал/(м · °С · ч), что близко к теплопроводности титана, а в перпендикуляр­ном направлении она равна 0,54-0,80 ккал/(м · °С · ч), что всего в 1,5-2 раза выше, чем у стеклопластиков.

Коэффициент линейного расширения высокомодульных однонаправленных углепластиков в продольном направлении близок к нулю, а в интервале 120-200 °С даже отрицателен (- 0,5 · 10-6 1/°С). Поэтому размеры изделий из углепластика при нагреве и охлаждении изменяются очень мало.

Углепластики обладают довольно высокой электропроводностью, что позволяет применять их как антистатические и электрообогревающие материалы.

В некоторых случаях применение в качестве напол­нителя только углеродных волокон не обеспечивает не­обходимую вязкость, эрозионную стойкость, прочность при сжатии, растяжении и сдвиге. Тогда связующие совместно армируют углеродными и стеклянными или углеродными и борными волокнами. Комбинированное армирование позволяет расширить диапазон значений прочности, жесткости и плотности ПКМ. Полимерные материалы, армированные углеродными и стеклянными волокнами, называют углестеклопластиками или карбостекловолокнитами. Полимерные материалы, в кото­рых в качестве наполнителя используются углеродные и борные волокна, называют углеборопластиками или карбобороволокнитами.

Применяются углепластики в таких отраслях техники, как космонавтика, авиация и ядерная техника. Относительно высокая (по сравнению со стеклопластиками и металлами) стоимость этих ПКМ, обусловленная недостаточно большими масштабами производства, что не является ограничением для этих отраслей техники.

Из углепластиков производят конструкции, работающие на устойчивость под воздействием внешнего изгибающего момента, давления или осевого сжатия. К ним относят лопасти несущего винта вертолетов; корпуса компрессоров, вентиляторные лопатки; диски статора и ротора компрессора низкого давления авиационных двигателей. Применение в этих узлах углепластиков взамен металлов позволяет на 15-20 % снизить массу двигателя. Замена металлических нервюр, стрингеров, лонжеронов, закрылков углепластиковыми снижает массу конструкций на 30-50 %. Из ориентированных углепластиков изготовляют балки для пола кабин самолетов, крышки люков, законцовки крыльев.

В космической технике углепластики применяют для панелей солнечных батарей, баллонов высокого давления, теплозащитных покрытий.

ПКМ с углеродными волокнами используют в качестве конструкционных радиационностойких материалов для рентгеновской аппаратуры и космических приборов, изготовления контейнеров, используемых в ядерной технике.

Химическая стойкость углепластиков позволяет применять их в производстве кислотных насосов, уплотнений и т.п.

Углеродные волокна имеют низкий коэффициент трения, и это дает возможность использовать их в качестве наполнителя для различных связующих, из которых производят подшипники скольжения, прокладки, втулки, шестерни.

^ Боропластики (бороволокниты) - это ПКМ, в которых в качестве арматуры используют борные волокна.

Диаметр борных волокон 90-150 мкм, в то время как диаметр элементарных углеродных волокон 5-7 мкм. Борную арматуру применяют в виде элементарных нитей, однонаправленных лент различной ширины, листового шпона и тканей.

Плотность боропластиков (2,0-2,2 т/м3)- выше, чем углепластиков. Но большой диаметр волокон обеспечивает большую устойчивость изделий из них под действием сжимающих нагрузок. Прочность боропластиков при сжатии на 20-30 % выше, чем при растяжении, тогда как в углепластиках наблюдается обратное явление. Различие в прочности боропластиков при сжатии и растяжении связано с тем, что имеющиеся на поверхности волокон дефекты по-разному ведут себя под действием сжимающих и растягивающих нагрузок.

Наибольшую прочность и жесткость удается реализовать в однонаправленных боропластиках вдоль оси волокон (табл. 25).

Прочность и модуль упругости ПКМ с увеличением объемной концентрации борных волокон линейно возрастают, достигая максимального значения при наполнении 65-70 об. %, тогда как в углепластиках оптимальная концентрация волокон на 5 - 10 об % ниже.

Если связующее отверждено не по оптимальным режимам и в нем есть поры, прочность такого боропластика при растяжении, сжатии и сдвиге резко снижена. Существенно ухудшаются прочностные свойства в направлении армирования и если имеются искривления волокон.

Таблица 25 - Свойства однонаправленных борпластиков [12]



Показатели

Разрушающее напряжение при растяжении для волокон с

в)f = 200-280 МПа

в)f = 280-350 МПа

при температуре

20 °С

200 °С

20 °С

200 °С

Разрушающее напряжение,













МПа, при:













растяжении

1200

950

1200

980

сжатии

840

730

1160

1020

изгибе

1200

1120

1750

1700

сдвиге

45

25

60

45

Модуль упругости, ГПа, при:













растяжении

240

207

250

240

сдвиге

6,3

4,0

9,8

5,1

Относительное удлинение при













растяжении, %

0,6-0,7

-

0,35

0,45

Ползучесть при растяжении













(напряжение 50 МПа ), %

0,25

0,16*

0,22

0,3

Длительная прочность













(500 ч), МПа

850

680

1350

1060

Предел выносливости при













изгибе на базе 107 циклов,













МПа

360

340

400

350

Ударная вязкость, МДж/м2

4,5

-

9,0

-

Логарифмический декремент













затухания колебаний, %

0,5

3,2

0,5

3,5

Коэффициент Пуассона

0,24

-

0,22

-

Примечание. Значение, обозначенное звездочкой, получено при напряжении 20 МПа

Недостатком однонаправленных боропластиков, как и других ПКМ с такой текстурой, является низкая прочность и жесткость в направлениях, перпендикулярных к оси волокон. Чтобы повысить эти характеристики, используют перекрестное армирование с расположением слоев под углами 90 °, 60 ° и 45 °. Перекрестно армированные боропластики имеют меньшую анизотропию свойств. Так, если у однонаправленных бороволокнитов отношение модулей упругости в направлении армирования и в перпендикулярном к нему направлении составляет 8-10, то жесткость ПКМ с текстурой 1 : 1 или 1:1:1 (армирование под углом 60°) одинакова в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Однако у таких материалов модуль упругости почти в 2 раза меньше, чем у однонаправленных вдоль оси армирования.

ПКМ с борными волокнами имеют высокие значения усталостной прочности, который практически не зависит от температуры испытаний в пределах работоспособности связующего. Сочетание хороших демпфирующих характеристик с повышенной усталостной прочностью делает целесообразным применением боропластиков в изделиях, работающих в условиях вибрации.

Как и для углепластиков, для боропластиков в качестве связующих наиболее широко используются эпоксидные смолы. Если температура эксплуатации материала выше 200 °С, то используют кремнийорганические, полиимидные или другие высокотемпературные связующие. ПКМ на их основе уступают эпоксиборопластикам по прочности и жесткости при низких температурах, но превосходят при повышенных. Термостойкие связующие для отверждения требуют применения больших давлений и высоких температур; сложно обеспечить и отсутствие в них пор, пористость может достигать до 7-20 %.

Борные волокна относятся к классу полупроводников, что позволяет получать в армированных ими ПКМ сравнительно высокие значения тепло- и электропроводности.

Оптимизация свойств боропластиков (повысить пластичность и ударную вязкость при достаточно высокой прочности) возможна армированием связующих совместно борными и другими волокнами, например стеклянными или углеродными. При этом следует учесть, что предельное удлинение борных волокон составляет 0,5-0,7%, тогда как стеклянные разрушаются при деформации 1-2%. Кроме этого, в силу различия модулей упругости волокна из разных материалов воспринимают на себя различную долю общего приложенного напряжения. Поэтому прочность и упругие свойства боростеклопластиков с малыми концентрациями стеклянных волокон определяются свойствами борных волокон, а при малых концентрациях борных волокон - свойствами стеклянных волокон.

Свойства боропластиков (модуль упругости, логарифмический декремент затуханий, ударная вязкость, проводимость) с уменьшением относительной доли борных волокон изменяются от свойств боропластиков до свойств стеклопластиков. Аналогично ведут себя и углеборопластики.

Применяются боропластики, как и углепластики, в космической и авиационной технике. Их высокая прочность и жесткость при сжатии используются при конструировании несущих частей летательных аппаратов - балок, панелей, стрингеров и т. п. Например, если металлическая двутавровая балка работает на изгиб, то ту ее полку, на которую действуют сжимающие напряжения, усиливают пластинами из боропластика, а другую полку, работающую на растяжение, упрочняют углепластиком. Масса такой балки на 20-30% ниже, чем масса балки из алюминиевых сплавов при одинаковой несущей способности.

В настоящее время проектируется применение боропластиков в лопастях несущих и хвостовых винтов и в трансмиссионных валах вертолетов, в стойках шасси, отсеках фюзеляжа, обшивке крыльев самолетов, в дис­ках компрессоров газотурбинных двигателей. В перспективе использование боропластиков в корпусных деталях, работающих при всестороннем или одноосном сжатии, в трубах, сосудах внутреннего давления. Замена металлических изделий боропластиковыми позволяет снизить их массу, повысить удельную жесткость, статическую прочность, предел выносливости и вибропрочность.

Металлопластики — это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя металлические волокна.

Наиболее широко как наполнитель для металлоплас-тиков применяют стальную проволоку. Она недорога, промышленностью выпускается в широких масштабах, при технологических операциях практически не теряет своих характеристик.

По сравнению с другими ПКМ металлопластики имеют повышенную ударную вязкость и статическую усталость, меньшее рассеивание свойств, высокую эрозионную стойкость.

Недостаток металлопластиков, армированных стальными проволоками, - их высокий удельный вес (до 5 т/м3). Поэтому удельная прочность у них ниже, чем у боро-, угле- и стеклопластиков, а удельная жесткость приближается к последним. Этого недостатка лишены металлопластики, армированные бериллиевой проволокой. Их удельный вес – 1,7 т/м3 при модуле упругости 23 ГПа и пределе прочности свыше 100 МПа. Однако для того чтобы металлопластики, в которых они используются как наполнитель, оказались конкурентоспособными с другими конструкционными ПКМ, необходимо повысить пластичность бериллиевых проволок. Кроме того, бериллий токсичен, поэтому при работе с ним необходимо соблюдать специальные меры техники безопасности.

Металлические волокна часто добавляют в боро- или углепластики. Это повышает вязкость разрушения, сопротивление распространению трещин, эрозионную стойкость, теплозащитные характеристики.

Карбидопластики - это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя волокна карбидов. В настоящее время исследуются свойства связующих с волокнами карбида кремния SiC.

Карбидопластики имеют несколько меньшую прочность, чем боропластики, но больший модуль упругости. Это вызвано тем, что производимые в настоящее время волокна SiC менее прочны при низких температурах, чем борные, но обладают большей жесткостью. Однако существенного выигрыша в удельной жесткости карбидопластики перед боропластиками они не имеют, так как их плотность несколько выше, чем у борных волокон. С совершенствованием технологии производства волокон SiC их прочность может быть сравнима с прочностью волокон бора.

Использовать волокна SiC в качестве наполнителя целесообразно для термостойких связующих. Преимущество карбидокремниевых волокон перед борными в их меньшей чувствительности к повышению температуры, большей высокотемпературной прочности и длительной прочности. Поэтому карбидопластики, вероятнее всего, найдут применение в качестве материалов для изделий высокотемпературного назначения.

^ Органопластики (органоволокниты) - это ПКМ, содержащие в качестве наполнителя органические волокна.

В начале развития органопластиков их армировали природными органическими волокнами - хлопчатобумажными, льняными, джутовыми, целлюлозными. Однако недостаточно высокий уровень прочности, жесткости, термостойкости и дефицитность природных волокон привели к постепенному вытеснению их синтетическими волокнами - капроном, найлоном, лавсаном и др. Отличительные особенности органопластиков - их низкая плотность (1,0-1,4 т/м3), высокая стабильность свойств, низкая пористость, повышенная пластичность и ударная вязкость, низкая теплопроводность (в 2—3 раза ниже, чем у стеклопластиков).

В последние годы разработаны новые типы органических волокон, из которых наиболее прочными и жесткими являются волокна на основе ароматических полиамидов. При концентрации этих волокон 60 об % однонаправленные органопластики на эпоксидной основе имеют плотность 1,36 т/м3, прочность при растяжении вдоль волокон 140 МПа, а поперек волокон - 2,8 МПа, модуль упругости при сжатии 8,5 ГПа вдоль волокон и 0,56 ГПа - поперек волокон. Удельная прочность у этих органопластиков при растяжении вдоль волокон выше, чем у стекло- и углепластиков, однако по жесткости они уступают последним.

Недостаток органопластиков - их низкая прочность при сжатии.

Ударная вязкость органопластиков с найлоновыми волокнами достигает 20 кДж/м2, с волокнами на основе ароматических полиамидов до 30-50 кДж/м2.

Иногда находят применение так называемые самоармированные органоволокниты. Это ПКМ, в которых матрица и арматура имеют одинаковый химический состав, но различную структуру. Так, полиимидные смолы армируют полиимидными волокнами. Поскольку материалы в виде тонких нитей намного более прочны, чем массивные тела, прочность самоармированной смолы выше, чем неармированной.

В качестве наполнителя используют органические волокна совместно и с другими типами волокон - стеклянными, углеродными, борными и др. Это позволяет регулировать свойства ПКМ в широких пределах.

Органопластики широко используют в качестве конструкционных материалов. Их применение в сотовых конструкциях, панелях пола и потолка, дверях, перегородках, передних и задних стойках крыльев самолетов позволяет резко снизить массу конструкций и увеличить их полезную мощность. Органопластики широко применяют в электро- и радиотехнике для изготовления корпусов приборов, радиопрозрачных обтекателей антенн, изоляторов. Их используют и в теплозащитных устройствах.


ЛИТЕРАТУРА


  1. Адрова Н.А., Бессонов М.И., Лайус Л.А., и др. Полиимиды – новый класс термостойких полимеров. – Л.: Наука, 1968. – 210 с.

  2. Берлин А.А. Современные полимерные композиционные материалы. Соровский образовательный журнал «Химия», 1995, № 1, с. 57-65.

  3. Композиционные материалы. Справочник. Под редакцией Д.М. Карпиноса. Киев, «Наукова думка», 1985, с. 592.

  4. Конкин И.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. – Хим. Волокна, 1977, № 3, с. 65-66. (таблица 20)

  5. Конструкционные свойства пластмасс / Под ред. Э. Бера. – М. : Химия, 1967. – 463 с.

  6. Кребер М.Л. Композиционные материалы. Соровский образовательный журнал «Химия», 1999, № 5, с. 33-41.

  7. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение. М.: «Машиностроение», 1972, 510 с.

  8. Липатов Ю.С. Физико-химия наполнены полимеров. – Киев: Наукова думка, 1967. – 233 с.

  9. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. 2-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.

  10. Меткалф А.Г. Ведение в обзор. – В кн.: Композиционные материалы с металлической матрицей/Под ред. К. Крейдера. М.: Машиностроение, 1978, с. 2777-337. (композиц. Материалы; Т. 4).

  11. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. – М. : Химия, 1978. – 310 с.

  12. Новые композиционные материалы. Д.М. Карпинос, Л.И. Тучинский, Л.П. Вишняков. Киев, «Высшая школа», 1977, с. 312.

  13. Новые материалы. Под научн. ред. Ю.С. Карабасова. – М.: МИСИС. – 2002. – 736 с.

  14. Новые поликонденсационные полимеры/под ред. З.А. Роговина, П.М. Валецкого. – М.: Мир, 1969. – 296 с.

  15. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1/ Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта; Под ред. А.Б. Геллера. – М.: Машиностроение, 1988. 448 с.

  16. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 2/ Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта; Под ред. А.Б. Геллера. – М.: Машиностроение, 1988. 584 с.

  17. Телешов Э.Н., Праведников А.Н. Пути создания и итоги освоения термостойких пластичесвких масс. – Пласт массы, 1973, № 2, с. 3-8.

  18. Фрейзер А.Г. Высокостойкие полимеры : Пер. с англ. – М. : Химия, 1971. – 294 с.

  19. Энциклопедия полимеров: В 3-х томах/ Под ред. В.А. Карагина, В.А.Карабанова. – М. :Сов. Энциклопедия., 1972-1977. – Т. 1-3.

  20. Юдкин Б.И., Хлебников Б.М., Олейникова К.Н. и др. Отечественный полифениленоксидапилокс. – Пласт. Массы, 1973, №  2, с. 41-45.

  21. Jones R. Vernon nevest thermoplastic PPS. Hydrocarbon Proc., 1972, 51 N 11, pp. 89-91.



Навчальне видання


Юскаєв Володимир Борисович


КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ


Редакторы:


Комп'ютерне верстаня: В.Б. Юскаєв


Підп. до друку

Формат 60×84/16. Папір офс. Друк офс.

Ум. друк. арк. .Обл.-вид. арк. . Ум. фарбопбовідб. .

Тираж пр. Вид. № .


Видавництво СумДУ при Сумському державному університеті

40007, Суми, вул. Р.-Корсакова, 2

Свідоцтво про внесення суб’єкта видавничої справи до Державного реєстру

ДК № 2365 від 08.12.2005 р.

Надруковано у друкарні СумДУ

40007, Суми, вул. Р.-Корсакова, 2


1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

Схожі:

Композиционные материалы iconМетодические указания к выполнению студентами лабораторного практикума по дисциплинам «Теория процессов и формирования напыленных покрытий» для специальности 090103 и «Композиционные и порошковые материалы и покрытия» для специальности 090401
«Теория процессов и формирования напыленных покрытий» для специальности 090103 и «Композиционные и
Композиционные материалы iconКомпозиционные материалы на основе модифицированной коры сосны
Фгбоу впо «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», 656038, Российская Федерация, Алтайский край,...
Композиционные материалы iconМеждународная научно-практическая конференция «композиционные материалы повышенной долговечности для строительства»
Содержание доклада объемом до 5 стр на одном из языков: русском, украинском или английском, оформленного согласно требованиям, приведенным...
Композиционные материалы iconТезисы международной научно-технической конференции «Функциональные и композиционные материалы»
Збірка доповiдей VІ міжнародної наукової конференції аспірантів та студентів «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання...
Композиционные материалы iconТребования к оформлению материалов в сборнике трудов конференции материалы до четырех полных страниц
Материалы до четырех полных страниц разместить на белой бумаге формата А4 (210х297) с полями 25 мм со всех сторон. Страницы не нумеровать....
Композиционные материалы iconДокументи
1. /Уч материалы/стр 1-62 Часть 1.doc
2. /Уч...

Композиционные материалы iconСумский государственный университет учебно-методические материалы
Учебно-методические материалы по развитию связной речи для студентов подготовительного отделения цмо / Составители: Е. А. Голованенко,...
Композиционные материалы iconОбъемно-планировочные решения зданий
Их сочетание определяет характер архитектурной композиции. Различают три основные композиционные системы, которые закладывают в основу...
Композиционные материалы iconПравила оформления материалов
Оргкомитет оставляет за собой право отклонять материалы, не соответствующие условиям конференции за стилистикой и содержанием или...
Композиционные материалы iconГосударственный стандарт союза сср система стандартов безопасности труда пожаровзрывоопасность веществ и материалов
Настоящий стандарт распространяется на простые вещества, химические соединения и их смеси в различных агрегатных состояниях и комбинациях,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи