3.4Разработка модели пкм и исследование деформационно-прочностных свойств

Благодаря созданию ТКМ второго поколения открылась перспектива дальнейшего совершенствования как конструкционных, так и технологических возможностей ПКМ. Сегодня эта перспектива стала реальностью и преимущества ТКМ перед армированными реактопластами очевидна[13].

К конструкторским преимуществам ТКМ относят надежность изделий из них, достигаемая прежде всего благодаря низкому уровню остаточных напряжений, релаксирующих в термопластичной матрице в первые часы после формирования изделий. Известны также повышенная демпфирующая способность и выдающаяся ударная вязкость, достигающая сотен (600 - 700) кДж/м², водо-, хемо-, крио- и огнестойкость ТКМ. Все это на ряду с высокими показателями механических характеристик и теплостойкости, давно достигшей при длительной эксплуатации 250. Причем комплекс технически ценных свойств непрерывно расширяется, а уровень показателей растет, поскольку гамма высокотеплостойких линейных полимеров, используемых в качестве матриц для ТКМ, помимо полибензимидазолов и ароматических полиимидов пополнилась в последние годы новыми разновидностями полиаромидов, Псу и ПЭЭК. В результате уровень важнейших механических характеристик ТКМ в широком диапазоне температур нередко превосходит лучшие показатели отвержденных ПКМ.

Не менее значительны технологические преимущества ПКМ. К ним относятся неограниченная жизнеспособность сырья, резкое сокращение цикла формирования изделий в следствии исключения необходимости отверждения связующего, расширение технологических возможностей за счет применения характерных для термопластов способов организации производства - гибки, штамповки, рулонирования, послойного комбинирования листовых заготовок, сварочной сборки деталей и т.д.

Реализация преимуществ ТКМ, начавшаяся с решения проблем пропитки армирующих волокон термопластами, продолжает оставаться функциональна зависимой от качества пропитки, которая предопределяется одной из двух классификационных разновидностей совмещения компонентов ПКМ – жидкофазного или твердофазного и жесткостных характеристик матриц. Первый вид совмещения характерен для изготовления препрегов и включает нанесения связующих на волокна (нити, жгуты, ленты, маты, ткани) из растворов или из расплавов. Оба варианта основаны на возможности варьировать вязкости, пропиточной среды и тем самым влиять на скорость и глубину пропитки. Однако пределы снижения вязкости весьма ограничены, так как желатинизация растворов наступает уже при концентрациях 3 -6%, а вязкость расплавов термопластичных связующих при допустимых температурах переработки нередко остается на уровне 10¹¹ - 10¹² вместо 10⁰ – 10² Пас, характеризующих олигомерные реактопласты. Последнее обстоятельство требует соответствующего повышения давления (при каландрировании, протяжке и т. п.), что резко ограничивает возможности метода и создает опасность для сохранения целостности армирующих волокон. В результате для жидкофазного совмещения компонентов типична высокая остаточная пористость ТКМ, в 10 – 15 раз превышающая пористость отверждающихся ПКМ.

Большой интерес представляю композиционные материалы, армированные непрерывными волокнами (жгутами, нитями).

На рисунке 3.5 представлена физическая модель непрерывно армированного композиционного материала (модель Розена) [10].

Итак, использование термопластичной матрицы для создания композиционных материалов (ПКМ) наталкивается на трудности смачивания полимером в межволоконном пространстве нитей и жгутов, что обуславливает пористость m =4-8%, причем эти поры расположены на границе волокно-связующее и низкие механические характеристики самой матрицы. Это является причиной невозможности достижения свойств ПКМ реализуемых на реактопластах

В последнее время для устранения одного из этих недостатков – низких механических характеристик матричного слоя появились новые методы. Один из них – модификация матрицы термопластичной матрицы наночастицами с целью достижения свойств реализуемых на реактопластах.

На примере такого сочетания как стеклянное волокно, взятое в виде жгута и поликапроамида модифицированного минеральными наночастицами в качестве термопластичной матрицы была проверена возможность улучшения прочностных свойств ПКМ. Свойства такого экспериментального ПКМ при оптимальном содержании наночастиц 9% и объемном содержании стеклянных волокон V = 0,58 в сравнении с аналогичным по составу промышленным термопластичным ПКМ марки ТОПАС-8 превосходят в 1,8-2 раза.