Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

Таблица 4.13. Влияние термостарения в воде на свойства карбоволокнита со схемой армирования (± я /4 , 0, я/2)

прочности. Активирование поверхности углеродных во­ локон газоили жидкофазным травлением, как изве­ стно, повышает прочность карбоволокнитов при мёжслойном сдвиге, однако композиты на основе карбоволокон с активированной поверхностью обладают не­ сколько меньшей водостойкостью. Так, прочность при межслойном сдвиге после выдержки в течение 3500 ч в воде композитов, армированных углеродными волок­ нами с большей реакционной способностью, снижается на 22%, что на 6% выше, чем у карбоволокнитов на основе необработанных волокон (рис: 4.32). Следует от­ метить обратимый характер изменения свойств компо­ зитов при воздействии влаги: после сушки в большин­ стве случаев свойства их восстанавливаются.

сивных сред «одновременно проявляются химические и физические эффекты, масштаб которых зависит от ско­ рости диффузии реагента в объем композита. Наличие

*хг€,мпа

Рис. 4.32. Зависимость прочно­ сти при межслойном сдвиге от продолжительности выдержки в воде при 293 (/, 3) и 353 К (2, 4) эпоксидного карбоволок­ нита на основе волокон с ак­ тивированной (1, 2) и неакти­ вированной (3,4) поверхностью.

191

Таблица 4.14. Изменение массы (в %) полимерных композитов при экспозиции в течение 24 ч в различных средах

• Плотность 1210 кг/м3.

Таблица 4.16. Изменение свойств эпоксифенольного карбоволокнита при длительной экспозиции

в нагретом керосине*

* Испытания при температуре выдержки 393 К.

192

Глава 5

ПОЛИМЕРНЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИТЫ

« в с о в р е м е н н о й т е х н и к е

5.1. Конструкционные и специальные свойства

Полимерные волокнистые композиты получили ши­ рокое распространение практически во всех отраслях промышленности благодаря исключительному сочета­ нию конструкционных и специальных свойств. Сравни­ тельная оценка конструкционных свойств волокнистых композитов с традиционными металлическими материа­

ругости, краткоаременной и.длительной прочности при растяжении, ползучести, усталостной прочности, демп­ фирующей способности и коррозионной стойкости — по­ лимерные композиты в диапазоне температур от 213 до 473 К превосходят алюминиевые сплавы, а в некоторых случаях — титановые сплавы и стали. По ударной вяз­ кости, прочности и жесткости при межслойном сдвиге полимерные композиционные материалы уступают ме­ таллическим сплавам. Однако путем создания гетероролокнистых и гетер'оматричных систем эти характери­ стики материала в конструкции могут быть значитель­ но повышены [148].

Композиты имеют иной механизм усталостного раз­ рушения при воздействии циклических нагрузок, чем металлические сплавы, и обладают более высоким со­ противлением усталости, чем традиционные материалы. Если предел выносливости металлов составляет 0,2— 0,3 от кратковременной прочности, то у высокомодуль­ ных композитов эта величина достигает 0,5—0,7. Зна­ чительно меньшая, чем у металлов, чувствительность композитов к концентрациям напряжений и низкая

194

Скорость распространения в них Трещин обеспечивают повышенную долговечность конструкций из этих мате­

риалов [и -

По параметрам вибропрочности ajv0 и виброжестко­ сти £ 0 полимерные композиты с учетом анизотропии в 2—4 раза превосходят металлы, причем в условиях воздействия повышенных температур это преимущество выражено более ярко благодаря значительному росту демпфирующей способности материала.

У деталей из высокомодульных полимерных компози­ тов спектр собственных частот колебания гораздо выше, чем у деталей из металла и стекловолокнита. Если для алюминиевых, титановых сплавов и сталей спектры соб­ ственных частот колебания близки к резонансным, и отстройка от резонансного режима требует изменения геометрических размеров деталей, то для высокомодуль­ ных полимерных композиционных материалов это до­ стигается только изменением ориентации волокон в от­ дельных слоях или соотношения компонентов [1, 3].

Применение -композитов, в частности карбоволокнитов, характерной особенностью которых является низ­ кий коэффициент линейного термического расширения, позволяет уменьшить термонапряженность конструкций. Сопоставление параметра Е а в интервале температур 293—473 К для различных конструкционных материа­ лов показывает, что при прочих равных условиях кон-

195

Тактйые термические напряжения, возникающие в де­ талях из карбоволокнитов и сопряженных с ними дета­ лях, в 10—20 раз меньше, чем в деталях из. других ма­ териалов. По конструктивному параметру D = G/(kya)2) , связывающему геометрические размеры конструкции с физйко-механическими свойствами материала и скоро­ стью вращения ротора, полимерные композиты превос­ ходят металлические сплавы в 2—2,5 раза. Следователь­ но, размеры вращающихся деталей, находящихся под

средний радиус лопатки компрессора, вентилятора газо­ турбинного двигателя или лопасти - вертолета), могут быть при одинаковых скоростях вращения увеличены почти в 2 раза при изготовлении их из полимерных ком­ позитов, что является необходимым условием для со­ здания двигателей с большей тягой и маховиков с большей энергоемкостью.

Композиты, наполненные стеклянными, органически­ ми и керамическими волокнами на основе оксидов ме­ таллов, обладают прекрасными электроизоляционными свойствами, обусловленными низкой диэлектрической проницаемостью и высоким удельным электрическим сопротивлением материала волокон. Ниже приведены

Поскольку электроизоляционные материалы экс­ плуатируются преимущественно при температурах выше 363 К, для их изготовления применяются в основном термореактивные термостойкие смолы: фенолоформальдегидные, эпоксидные (класс нагревостойкости В до 403 К); кремнийорганические и полиимидные (класс нагревостойкости Н до 453 К). От типа связующего

196

Таблица 5.2. Теплофизические свойства полимерных ортогонально-армированных композитов*

а также стабильность этих характеристик в эксплуата­ ционных условиях — этим радиотехническим требовани­ ям соответствуют полимерные композиты, армирован­ ные кварцевыми, стеклянными и органическими волок­ нами (табл, 5.2). Диэлектрическая проницаемость и фактор потерь композитов могут меняться в довольно широких пределах в зависимости от природы волокон, связующего и пористости композита и рассчитываются по правилу аддитивности [12]. Для стекловолокнитор характерно уменьшение диэлектрических потерь с уве­ личением частоты электромагнитных колебаний. При нагревании композитов их радиотехнические характери­ стики ухудшаются (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Зависимость фактора по vepb от температуры для стекло текстолита на фенолоформальде 'идном связующем при частоте

/ — 100 кГц; 2 — 1 МГц; 3 — 60 МГц.

168

различной электропроводностью, можно получать ком­ позиты с электроизоляционными, полупроводниковыми или электропроводящими свойствами.

Уникальной ^особенностью углеродных волокон яв­ ляется возможность регулирования их электропроводно­ сти в широких пределах от полупроводников до мате­ риалов с почти металлической проводимостью [6]. По­

высокую анизотропию электропроводности карбоволокнитов. Удельное объемное сопротивление однонаправ­ ленного композита на основе углеродного волокна со­ ставляет вдоль волокон 2,6, а поперек — 6,8 МОм-см. Полимерные композиты, в состав которых входят элект­ ропроводящие волокна, не электризуются, поэтому уг­ леродные волокна вводят в состав некоторых компози­ тов, а также в термопласты, применяемые для изготов­ ления трубопроводов и вентиляционных систем. При на­ гревании удельное объемное электрическое сопротивле­ ние полимерных композитов понижается (рис. 5.4), од­ новременно уменьшается и степень анизотропии элект­ рических свойств в плоскости армирования.

Теплофизические свойства полимерных волокнистых композитов изменяются в широком интервале значений

взависимости от состава (табл. 5.2). Как механические

иэлектрические, так и теплофизические характеристики

Рис. 5.4. Зависимость удельно­ го объемного электрического сопротивления ( 1, 2) и коэф­ фициента анизотропии (3) от температуры:

1 —- однонаправленный карбоволокяит; 2 — ортогонально-армированный карбоволокнит; 3 — однонаправлен­ ный бороволокннт.

199

Рис. 5.5. Устойчивость к абляции композитов, армированных различ­ ными волокнами:

I — асбестовым; 2 — стеклянным; 3 — кремнеземным; 4 — нейлоновым; 5 — квар­ цевым; б — углеродным.

композитов (а, X, а) существенно анизотропны, особен­ но у карбо-и бороволокнитов [154].

Способность композиционных материалов противо­ стоять действию высокотемпературных тепловых пото­ ков, основанная на абляции, обусловливает их исполь­ зование для защиты деталей ракет и космических ко­ раблей и деталей двигателей РДТТ [161, 168]. Тепло­ защитные свойства материалов обусловлены уменьше­ нием теплового потока вследствие поглощения энергии при сложных физико-химических процессах (сублима­ ция, плавление, механическое разрушение, деструкция

ит. п.), протекающих на поверхности материала, под­ верженного воздействию теплового потока. Теплоза­ щитные свойства композитов, оцениваемые по величине линейного уноса Аб при определенной длительности воз­ действия теплового потока, улучшаются по мере воз­ растания плотности композитов, при ориентации воло­ кон перпендикулярно тепловому потоку, уменьшении содержания связующего и с увеличением, температуры плавления (сублимации) армирующих волокон.

Кстойким к абляции материалам относятся стекло-

икарбоволокниты [6] (рис. 5.5). Последние обладают наибольшей стойкостью к воздействию высокотемпера­ турных тепловых потоков. Для снижения высокой теп-

2 0 0