Тема 7 Формование конструкционных изделий из полимерных композиционных материалов

7.1 Армированные пластики

В теме 1 данной дисциплины было рассмотрено понятие о композиционных материалах как многофазных гетерогенных системах и их классификация. К третьему классу композиционных материалов (композитов) относятся материалы, армированные волокнами. Одной из групп данного класса композитов являются композиционные материалы на полимерной матрице, т.е. армированные пластики или полимерные композиты конструкционного назначения. Некоторые теоретические аспекты наполнения полимеров волокнистыми наполнителями были рассмотрены вами в дисциплине “Основы технологии переработки полимеров”.

Стало непреложной истиной, что научно-технический прогресс в настоящее время немыслим без развития данного вида конструкционных материалов. Отказ от использования дефицитных традиционно применяемых материалов, не только снижение массы изделия, но и экономия энергии при изготовлении композитов, различных деталей и конструкций показали какие экономические перспективы стоят за использованием полимерных композитов в сравнении с металлами (табл. 7.1 и 7.2)

Таблица 7.1 - Экономический эффект от снижения массы изделия за счет композитов (данные 2006 г)

Изделие	Экономический эффект на 1 кг массы, долл.
Транспортные самолеты Пассажирские самолеты Двигатели самолетов Самолет “Боинг-747” Истребитель-перехватчик Сверхзвуковой пассажирски самолет Спутник на околоземной орбите Спутник на синхронной орбите Космический аппарат “Спейс Шатлл”	50÷75 100 100÷200 150÷200 150÷200 200÷500 1000 10000 10000÷15000

Таблица 7.2 - Удельные затраты на производство композиционных материалов и изделий из них (кВт·ч)

Материал	В расчете на 1 кг материала	В расчете на 1 кг готового изделия
Эпоксиуглепластик Сталь Алюминий Титан	33,0 35,2 48,5 189,5	72,7 220,4 392,4 1543,2

В зависимости от природы волокнистого наполнителя производят следующие виды армированных пластиков (АП) или полимерных композиционных материалов (ПКМ):

• Асбопластики – на основе асбестового волокна, асботканей, асбобумаги и асбокартона. Асбопластики относятся классу термостойких и тропикостойких полимерных композитов, сохраняющие механические свойства при длительной работе при температурах до 400 ⁰С (на основе кремнийорганических связующих).

• Стеклопластики – на основе стеклянных волокон, нитей, тканей и т.п. Данные композиционные материалы отличаются от других видов полимерных композитов конструкционного назначения сочетанием высокой прочности, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, хороших электроизоляционных свойств, доступности и сравнительно низкой стоимостью волокнистого наполнителя (минимальной по сравнению с наполнителями других видов ПКМ).

Накопленный опыт по производству стеклонаполнителей, стеклопластиков и изделий из них способствовал не только расширению областей их применения, но и ускорил освоение производства пластиков с углеродными, борными, синтетическими органическими и керамическими волокнами.

• Углепластики (карбопластики) – на основе углеродных волокон, нитей и тканей. От других пластиков конструкционного назначения углепластики отличаются сочетанием таких свойств, как низкая плотность, высокий модуль упругости, прочность, термостойкость (в безкислородной среде), низкие коэффициенты термического расширения и трения, высокие износостойкость и стойкость к термическим и радиационным ударам, тепло- и электропроводность. Углепластики являются основой для получения уникального вида композиционных материалов – углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ). Это материалы, армирующий наполнитель и матрица которых состоят практически из чистого углерода. УУКМ выпускаются двух видов в процессе пиролиза углепластика в инертной среде: карбонизированные (пиролиз при 800÷1500 ⁰С) и графитированные (пиролиз при 2500÷3000 ⁰С). Эти материалы обладают высокой температуростойкостью (до 7000 ⁰С в инертной среде), стойкостью к тепловому удару, низкой плотностью, высокой прочностью и модулем упругости, инертностью по отношению к защищаемому материалу.

• Бороволокниты – на основе волокон металла бора отличаются высокой твердостью, прочностью (особенно при сдвиге, срезе и сжатии), жесткостью, малой ползучестью и высокой динамической и статической выносливостью, повышенной тепло- и электропроводностью и сравнительно низкой плотностью.

• Органопластики – на основе органических волокон природного, искусственного и синтетического происхождения, нитей, тканей, бумаги. Первые органопластики, получившие в зависимости от текстуры названия волокниты, текстолиты, гетинаксы, содержат либо рубленное природное волокно, хаотично распределенное в термореактивном связующем, либо ткани различного плетения (хлопчатобумажные, льняные), либо слои целлюлозной бумаги. К этому классу полимерных композитов относятся все виды древесных плит и пластиков – древесных композиционных материалов на полимерной матрице. Дефицитность природных волокон, низкие значения их прочности, жесткости, термостойкости и водостойкости заставили искать новые органические наполнители среди волокон из синтетических полимеров. Развитие органопластиков на синтетических волокнах обусловлено необходимостью создания легких материалов конструкционного назначения, сочетающих сравнительно высокие удельные прочность и жесткость со стабильностью свойств при действии знакопеременных нагрузок, резкой смене температур и условий эксплуатации.

• Полимерные композиционные материалы на основе керамических оксидных, базальтовых волокон и “усов” – нитевидных кристаллов. Это материалы будущего. Они отличаются сочетанием исключительно ценных свойств: высокими физико-механическими показателями, термо-, тепло-, износо- и коррозионостойкостью, кроме того, низкой плотностью по сравнению с металлами. Степень наполнения полимерной матрицы данными видами наполнителей может достигать 85÷95 %. Пока нет четких теоретически и технологически представлений по реализации всех возможностей по использованию уникальных прочностных свойств данных волокнистых наполнителей для реализации усиливающего эффекта.

• Поливолокнистые гибридные ПКМ совмещающие волокна с близкой (стеклоорганопластики) или, наоборот, существенно (стеклоуглепластики) деформативностью.

В таблице 7.3 представлены физико-механические свойства ПКМ в сравнении с металлами и древесиной.

Таблица 7.3 - Свойства ПКМ конструкционного назначения

Материал	ρ*10-3, кг/м3	σр, ГПа	Eр, ГПа	Удельные значения.
				σр/ ρ	Eр/ ρ
Сталь 30ХГСА	7,85	1,6	210	0,20	26,8
Дюралюмин Д16Т	2,8	0,44	72	0,16	25,7
Титан ОТ-4	4,5	0,8	115	0,18	25,6
Сосна	0,52	0,123	13	0,24	25,0,
Стеклопластики	1,8-2,0	1,05-1,4	53-56	0,58-0,70	28-29,4
Углепластики	1,4	0,48-3,55	24-252	0,34-2,54	17-180
Бороволокнит	2,06	2,24	252	1,09	122
Органоволокнит	1,36	1,4	84	1,03	61,8
ПКМ на нитевидных кристаллах	2,2	25,0	-	11,4	-