Армированные пластики

Ведущее место среди композиционных материалов на базе синтетических полимеров занимают армированные пластики (АП), представляющие собой искусственные материалы и состоящие из двух фаз (компонентов) - полимерной матрицы и армирующего элемента.

АП получили широкое применение в современной технике благодаря исключительному сочетанию конструкционных и специальных свойств.

Матрицами для АП служат различные термореактивные и термопластичные полимеры. К полимерным связующим предъявляются, наряду с требованиями высоких механических характеристик, ряд специальных требований: технологичность, термостойкость, негорючесть и т.п. В состав связующих входят, как правило, различные модифицирующие добавки, обеспечивающие реализацию в композиционном материале требуемых технологических и эксплуатационных свойств: отвердители, растворители, катализаторы и др.

Армирующая фаза образуется обычно совокупностью непрерывных волокнистых армирующих элементов в виде элементарных волокон, комплексных нитей, жгутов, лент, тканей с различной текстурой, а также короткими (дискрет­ны­ми, штапельными) волокнами в составе штапельных тканей, матов, бумаги и т.п.

В зависимости от химической природы матрицы и армирующей фазы АП могут приобретать наименование по одному из компонентов:

- по матрице: фенопласты, эпоксипласты, имидопласты и т.п.;

- по волокнообразующему материалу: стекло-, угле-, органо-, базальто- и др. пластики.

По направленности свойств и схемам армирования различают изотропные и анизотропные

Типичные классификационные модели АП

По объему армирования АП классифицируются на низкоармированные, армированные, высоко- и предельно армированные.

По эксплуатационному назначению АП делятся на конструкционные, предназначенные для механического сопротивления эксплуатационным нагружениям и функциональные (электротехнические, магнитные, оптические, фрик­­­­ци­онные и антифрикционные, тепло-, звуко-, газоизоляционные и т.п.).

По уровню свойств АП делятся на низкопрочные, прочные, высоко- и сверхвысокопрочные; горючие, трудносгораемые и негорючие и т.д.

По способу переработки (технологический принцип) АП делятся на ли-тьевые и экструзионные; прессовочные и штамповочные, намоточные и пултрузионные.

Стеклопластики (СП) - материалы на основе полимерной матрицы, упрочненной стеклянными наполнителями, главным образом стеклянными волокнами.

Стеклянные волокна (СВ) получаются из расплавленной стекломассы (температура 1200 - 1450°С) путем быстрого вытягивания струи из фильер до диаметра 3-100 мкм, длиной несколько десятков километров. После вытягивания волокна собирают в пучок и накрывают замасливателем, который соединяет элементарные волокна в первичную нить, предотвращает склеивание нитей, облегчает размотку и кручение нитей, защищает от истирания и разрушения во время текстильной переработки.

Стеклянные волокна различного химического состава обладают ценными свойствами - негорючестью, стойкостью к коррозии, высокой прочностью, сравнительно малой плотностью, высокими оптическими, диэлектрическими и теплофизическими свойствами.

Наибольшие……цилиндра.. И РИС 3,2, стр.119

Для получения СВ используют стекла различного состава: алюмоборосиликатные, натриево-кальциево-алюмоборосилатные, натриево-кальциевосиликатные, магнитоалюмосиликатные, на основе тугоплавких металлов или их соединений (кварцевые, высококремнеземные, алюмокремнеземные, алюмо­силикатные) и др.

В производстве СП наиболее широко применяют термореактивные смолы: фенолоформальдегидные, полиэфирные, полиимидные, кремнийорганические и др.

Термопластичные полимеры (ПА, ПП, ПС, ПЭ и др.), применяемые в производстве СП, обладают высокой вязкостью, что затрудняет пропитку стеклонаполнителей и получение композиций с высоким содержанием наполни­теля. В качестве наполнителей используют короткие (0,1-1,0 мм или 3-12 мм) волокна диаметром 9-19 мкм с содержанием от 10 до 50 массовых процентов.

Получение термореактивных СП, как правило, совмещают с процессом изготовления изделий (намоткой, послойной выкладки или напыления с последующим контактным, вакуумным, прессовым формованием).

Углепластики (УП) содержат в качестве наполнителя углеродные волокна (УВ).

УП обладают высокой прочностью и жесткостью, низкой плотностью, химической инертностью, тепло- и электропроводностью, высокой усталостной прочностью, низким значением коэффициента линейного термического расширения, высокой радиационной стойкостью.

Углеродные волокна получают путем термической деструкции в инертной среде или вакууме органических волокон, волокон нефтяных и каменноугольных пеков, фенольных смол и других углеродсодержащих исходных веществ.

УВ получают только из волокнистых полимеров, не плавящихся при термообработке, обеспечивающих высокий выход углерода и необходимые механические и другие свойства.

Процесс получения УВ включает высокотемпературную обработку (кар­бо­­низацию и графитизацию) органических волокон. Карбонизация закан­чи­ва­ет­ся в интервале температур 900-2000С (содержание углерода 80-99%), а гра­фи­тизация проводится при температурах до 3000С (содержание углерода выше 99%). Для получения УВ высокого качества карбонизация и графи­тизация проводятся с одновременным вытягиванием волокна, что способствует совершенствованию структуры и повышению механических свойств УВ.

В производстве УП используются как термопластичные (полиимиды, полиамидоимиды и полисульфон), так и термореактивные (эпоксидные, феноль­ные, эпоксидно- анилинофенолоформальдегидные и др.) матрицы.

Свойства УП существенно зависят от степени армирования и для углеволокнитов оптимальное объемное содержание волокон - 60%, а для углетекстолитов - 52%.

Благодаря высокой устойчивости к действию химически агрессивных сред УП применяются для изготовления реакторов, трубопроводов, лопастей насосов, выхлопных труб и т.п.

Высокая радиационная стойкость позволяет применять УП в нейтронном оборудовании; низкий коэффициент термического расширения позволяет использовать в криогенной технике при изготовлении баллонов для хранения сжиженных газов; высокая биологическая и механическая совместимость углеродных волокон с тканями живого организма определяют перспективность их применения в медицинской технике.

Органопластики (ОП) - композиционные материалы на основе полимер­ных матриц, армированных химическими волокнами.

В зависимости от природы, структуры и уровня свойств волокнистого армирующего наполнителя ОП делятся на две группы:

1) органопластики на основе карбо- и гетероцепных волокон, характеризующихся сравнительно невысокими прочностными свойствами (полиамидные волокна, волокна полиакрилонитрила, поливинилового спирта, политетрафтор­этилена, полипропилена и др.)

2) высокопрочные высокомодульные ОП на основе предельно армированных волокон - арамидных и др.

В качестве полимерных матриц используются в основном модифицированные эпоксидные смолы, а в некоторых случаях полиэфирные, фенолоформальдегидные и др.

Высокие прочностные свойства при растяжении ОП позволяют исполь­зовать их при изготовлении деталей и узлов, испытывающих значительные растягивающие напряжения от воздействия высокого внутреннего давления (баллоны высокого давления, корпуса ракет и т.п.) или центробежные нагрузки (роторы, лопасти, маховики и т.п.).

Низкая плотность в сочетании с высокой прочностью и жесткостью при растяжении и сдвига, а также высокая стойкость к ударным и вибрационным нагрузкам позволяют использовать ОП в качестве тонких обшивок при изготовлении сотовых панелей, конструкций интерьера летательных аппаратов (панели пола, перегородки, потолочные и бортовые панели и др.).

Сравнительные свойства элементарных волокон, используемых в производстве армированных пластиков приведены в табл.1.

Т а б л и ц а 1

Свойства элементарных волокон

Тип волокна	Плотность, Мг/м3	Предел проч­но­сти при растяжении, ГПа	Модуль упругости, ГПа	Относительное удлинение, %
Полигетероарилен (СВМ)	1,44	3,8-4,2	120-130	2-4
Арамидный сополимер (Армос)	1,44	4,5-5,0	145-170	4,0
Арамидный сополимер (ВМН-88)	1,46	3,7-4,5	157-167	2,9
Поли-п-фенилентере­фталатамид: кевлар-49 кеврал-149	1.44 1.47	3,7-4,0 3,8-4,2	130-140 150-180	1,9-2,3 2-4
Углеродное высокопрочное	1,7-2,0	2,0-3,5	200-400	0,5-0,8
Стеклянное высокомодульное	2,6	4,6-5,0	95	4,5-5,0