0. 10.6. Композиционные материалы на неметаллической основе

К данным композиционным материалам относят материалы с полимерной, углеродной и керамической матрицей. В качестве упрочнителей применяют высокопрочные и высокомодульные углеродные и борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент нетканых материалов.

Композиционные материалы на полимерной основе.

По сравнению с композиционными материалами на металлической основе эти материалы отличает хорошая технологичность, низкая плотность и в ряде случаев более высокие удельные прочность и жесткость, они имеют высокую коррозионную стойкость, хорошие теплозащитные и амортизационные свойства.

Однако, для большинства композиционных материалов с неметаллической основой характерны следующие недостатки: низкая прочность связи волокна с матрицей, резкая потеря прочности при повышении температуры выше 100-200⁰С, плохая свариваемость.

Различные группы композитов, армированные однотипными волокнами, имеют специальные названия, данные им по названию волокна. Композиции с углеродными волокнами называются углеволокнитами, с борными – бороволокнитами, стеклянными – стекловолокнитами, органическими - органоволокниты.

Следует отметить, что из-за быстрого отверждения и низкого коэффциента диффузии в неметаллической матрице, в композиционных материалах нет переходного слоя между компонентами. Связь между волокнами и матрицей носит адгезионный характер, т.е. осуществляется путем молекулярного взаимодействия.

По сравнению с другими полимерами, применяемыми в качестве матриц, эпоксидные обладают более высокими механическими свойствами в интервале температур от -60 до 180⁰С, что и обеспечивает композитам более высокие прочностные характеристики при сжатии и сдвиге.

Но эпоксидные матрицы уступают феноло-формальдегидным и особенно полиимидным в теплостойкости.

Одним из способов улучшения свойств композиционных материалов является увеличение жесткости матрицы с помощью введения в их структуру ионов металлов, которые усиливают взаимосвязь между полимерными молекулами.

Таблица 10.5

Влияние добавок Ba²⁺ и Ni²⁺ на свойства

одноосно-армированных КМ.

Материал	, МПа			, МПа			, МПа
	Без добавок	Ва2+	Ni2+	Без добавок	Ва2+	Ni2+	Без добавок	Ва2+	Ni2+
Полиметиленфенольная матрица	2060	2580	3100	81	87	90	-	-	-
То же+стеклянное волокно	44500	45000	45600	89	1260	1330	1580	2160	2280
То же+углеродное волокно	106000	107000	108000	87	1370	1520	-	-	-

Примечание. Значения модуля упругости и разрушающего напряжения определены при испытании на изгиб.

Стекловолокниты – содержат в качестве наполнителя стеклянные волокна. В настоящее время выпускают стеклопластики с ориентированным и неориентированным (хаотичным) расположением волокон. Стекловолокниты имеют самую высокую прочность и удельную прочность. Их достоинством является недефицитность и низкая стоимость упрочнителя, по удельной жесткости они превосходят легированные стали.

Углеволокниты – это полимерные композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Углеволокниты обладают низкими теплопроводностью и электропроводностью, но их теплопроводность в 1,5-2 раза выше, чем у стекловолокнитов. Они имеют малый и стабильный коэффициент трения и обладают хорошей износостойкостью.

К недостаткам относят низкую прочность при сжатии и межслойном сдвиге.

Бороволокниты характеризуются высоким временным сопротивлением пределами прочности при сжатии и сдвиге, твердостью и модулем упругости.

Свойства бороволокнитов зависят не только от свойств волокон и их объемного содержания, но и в большей степени от их геометрии и диаметра. Так, ячеистая структура волокна обеспечивает высокую прочность при сдвиге и срезе. Большой диаметр волокон и высокий модуль упругости придают устойчивость бороволокниту и способствуют повышению прочности при сжатии.

Органоволокниты – обладают малой массой, сравнительно высокими удельными прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок, резкой смене температуры. Они устойчивы в агрессивных средах и влажном климате, имеют низкие электро- и теплопроводность.

Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электро- и радиопромышленности, авиатехнике, автомобилестроении, из них изготавливают трубы, емкости для реактивов, покрытия судов и др. изделия.

Свойства композиционных материалов с полимерной матрицей приведены в таблице 10.6.

Таблица 10.6 массой, сравнительно высокими удельными прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременннию прочности при сжа

Свойства одноосно-армированных композиционных материалов

с полимерной матрицей.

КМ	, т/м3	, МПа	км	, %	, ГПа	/ км	, МПа (на базе 107 циклов)
Углеволокниты:
КМУ-1л	1,4	650	46	0,5	120	8,6	300
КМУ-1у	1,47	1020	70	0,6	180	12,2	500
КМУ-1в	1,55	1000	65	0,6	180	11,5	350
КМУ-2в	1,3	380	30	0,4	81	6,2	135
Бороволокниты:
КМБ-1к	2	900	43	0,4	214	10,7	350
КМБ-2к	2	1000	50	0,3	260	13	400
КМБ-3к	2	1300	65	0,3	260	12,5	420
Органоволокниты с упрочнителем:
эластичным	1,15-1,3	100-190	8-15	10-20	2,5-8,0	0,22-0,6	100
жестким	1,2-1,4	650-700	50	2-5	35	2,7	-
Стекловолокниты	2,2	2100	96	-	70	3,2	-

Керамические композиционные материалы – это материалы, в состав которых входят керамическая матрица и металлические или неметаллические наполнители. В качестве матриц используют силикатные (SiO₂), алюмосиликатные (Al₂O₃-SiO₂), алюмоборосиликатные (Al₂O₃- B₂O₃ SiO₂) и другие стекла, тугоплавкие оксиды (BeO, Al₂O₃, Zr O₂ и т.д.), нитрид (Si₃Nu), бориды (TiB₂, ZrB₂) и карбиды (SiC, TiC).

Керамические композиты на основе карбидов и оксидов с добавками металлического порошка (< 50% (об.)) называются керметами. Они не нашли широкого применения из-за высокой хрупкости.

Для армирования композиционных материалов используют металлическую проволоку из жаропрочной стали, вольфрама, молибдена, а также неметаллические волокна (углеродные, керамические). Ориентация волокон в зависимости от условий нагружения может быть направленный или хаотичной.

Металлический каркас из тугоплавких металлов и электропрочных сталей имеет целью создать пластичный каркас, предохраняющий композит от разрушения. Ударная вязкость и термостойкость керамических композитов при увеличении содержания волокна не более чем на 25% повышаются.

Применяются керамические композиционные материалы при высоких температурах для изготовления ответственных тяжелонагруженных изделий (высокотемпературные подшипники уплотнений, направляющие и рабочие лопатки газотурбинных двигателей и т.д.).

Углерод-углеродные композиционные материалы представляют собой углеродную матрицу, армированную углеродными волокнами или тканями. Одинаковая природа и близкие физико-химические свойства обеспечивают прочную связь волокон с матрицей и уникальные свойства этих композиционных материалов.

Достоинствами данных композитов являются малая плотность (1,3-2,1 т/м³), высокие теплоемкость, сопротивление тепловому удару, эрозии и облучению, низкий коэффициент трения, высокая коррозионностойкость, широкий диапазон электрических свойств (от проводнико до полупроводников), высокие прочность и жесткость (таблица 10.7). К недостаткам относят склонность к окислению при нагреве выше 500⁰С в окислительной среде. В инертной среде и вакууме изделия из углерод-углеродных композиционных материалов работают до 3000⁰С.

Исходным материалом для матриц служат синтетические органические смолы с высоким коксовым остатком (феноло-формальдегидные, фурановые, эпоксидные и др.), а также каменноугольные и нефтяные пеки (вязкие остатки перегонки дегтей, смол или при пиролизе нефти).

Наполнителями служат углеграфитовые волокна, жгуты, нити, тканные материалы.

Применяются углерод-углеродные композиционные материалы при изготовлении газотурбинных двигателей, турбинных фарсунок, панели, для торомзных накладок и др.

Таблица 10.7

Типичные эксплуатационные свойства УУКМ

Характеристики	Отечественные УУКМ		Зарубежные аналоги
	А	Б	Sekarb-OOO	Sekarb-SF	Aerolo r-32	Aerolo r-32
Тип каркаса	3D	4D	4D	4D	3D	3D
Плотность, г/см3	1,91	1,91	1,87	2,0	1,93	1,85
Прочность при растяжении, МПа	113,0	110,0	-	130,0	170,0	80,0
Модульупругости, ГПа	52,5	50,0	-	62,0	-	-
Прочность при сжатии, МПа	145,0	140,0	95,0	115,0	130,0	100,0
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К	61,0	54,00	100,0	180,0	150,0	200,0
ТКЛР, 10-6 К-1	3,4	3,0	1,5	0,5…4,0	-	-
Диаметр, мм: заготовки стержней	410 1,2	-	500 1,0…1,8	500 -	- 1,6	- 1,2
Температура обработки, 0С	-	-	3000	-	2700	1950