Структура и свойства полимерных волокнистых композитов

лопроводности карбоволокнитов в их состав вводят по­ мимо углеродных другие жаростойкие волокна с мень­ шей теплопроводностью: волокна из диоксида цирко­ ния, карбида кремния и других соединений.

Для карбо- и органоволокнитов характерны повы­ шенные антифрикционные характеристики. При введе­ нии в состав полимеров углеродных волокон повышает­

чением коэффициента трения (рис. 5.6), величина ко-, торого зависит от ориентации волокна относительно по­ верхности трения [27]. Наименьший коэффициент тре­ ния имеют карбоволокниты, в которых армирующие во­ локна ориентированы по поверхности трения в направ­

рые применяются в виде покрытий, наносимых на по­ верхности трения, скольжения, работающие без смазки. Коэффициент трения таких покрытий"’составляет 0,03— 0,08 [151].

Некоторые стекловолокниты обладают прозрачно­ стью: светопроницаемость панелей толщиной около 1,5 мм достигает 80%, а светорассеяние 35—50%. Про­ зрачность стекловолокнитов определяется близостью значений коэффициентов преломления связующего и стекловолокна (для бесщелочных стекол коэффициент преломления близок к 1,55). Для достижения наиболь­

лянного волокна смолой светопроницаемость ухудша­ ется, а светорассеяние увеличивается; аппретирование ттеклонаполнителя улучшает светопрозрачность. Про­ зрачность стекловолокнитов повышается, если процесс совмещения со связующим производится под вакуумом или под давлением. Микротрещины в композите, вы­ званные термическими напряжениями, усталостью или деструкцией связующего под действием ультрафиолето­ вых лучей, являются причиной увеличения светорас­ сеяния и ухудшения светопроницаемости [12].

5.2.Методы изготовлений

ипроектирования деталей

При изготовлении деталей из волокнистых полимер­ ных композитов материал и изделие формуются одно­ временно путем совмещения компонентов, при этом из­ делию сразу придаются заданные геометрические раз-

'меры. Тип армирующего наполнителя, природа поли­ мерного связующего и конструкция детали определяют особенности технологического процесса переработки композита в изделия; при котором должна обеспечи­ ваться необходимая ориентация армирующего наполни­ теля, совмещение его со связующим, уплотнение мате­ риала и отверждение полимера [152]. Схема типового технологического процесса изготовления композитов приведена на рис. 5.7.

Технология изготовления деталей из волокнистых полимерных композитов включает следующие основные

е-

Рис. 5.7. Схема технологических процессов изготовления деталей из полимерных волокнистых композитов:

1 — подготовка армирующего наполнителя (/ — сушка; 2 — расшлихтовка; 3 — подшлихтовка; 4 — аппретирование; 5 — активирование; 6 — вискернзация); II — приготовление связующего; III — совмещение наполнителя со’ связующим (1 — смачивание раствором; 2 — смачивание расплавом; 3 — нанесение порошка свя­

рентгеновский; 3 — акустический).

2 0 2

операции: подготовка армирующего наполнителя; приготовление связующего; совмещение армирующего наполнителя со связующим; сборка и ориентация слоев армирующего наполнителя по форме детали; уплотнение, отверждение и термообработка; механическая обработ­ ка; контроль качества изделий.

Подготовка армирующего наполнителя включает операции, направленные на подготовку поверхности во­ локон к совмещению и последующему взаимодействию с полимерными связующими. Эти операции в большин­ стве случаев проводятся на заводах, производящих ар­ мирующие волокна и наполнители на их основе. Это могут быть следующие операции.

Расшлихтовка — удаление излишнего количества замасливателя с поверхности армирующих волокон путем прокаливания при температуре 473—723 К или пропу­ скания через растворители. Для интенсификации про­ цесса отмывки от замасливателя применяют ультразвук.

Аппретирование — нанесение из растворов кремнийорганических и других соединений на поверхность ми­ неральных и металлических волокон покрытий толщи­ ной в несколько молекулярных слоев, обеспечивающих гидрофобность волокон и химическое взаимодействие с полимерной матрицей. Закрепление аппретов произво­ дится нагреванием до 353—473 К.

Вискеризация — выращивание на активных центрах поверхности углеродных, карбидокремниевых волокон -нитевидных кристаллов SiC, A1N и др. путем газофаз­ ных реакций осаждения, которое производится при тем­ пературах 1553— 1673 К-

Активирование поверхности — обработка углеродных волокон в жидкоили газофазных окислителях, приводя­ щая к окислению и стравливанию поверхностного слоя волокна. Травление проводят в азотной кислоте и в ее смеси с серной при температуре 353—393 К или в газовых средах (воздух, озон) при температурах 673— 1073 К.

Химическая очистка в растворителях или кислотах применяется для удаления с поверхности борных и дру­ гих металлических волокон сорбированных органиче­ ских продуктов.

Для удаления влаги, адсорбированной на поверхно­ сти армирующих волокон, производится их сушка, в ре­ зультате которой облегчается переработка стеклянных,

углеродных, асбестовых волокон: предотвращается об­ рывность, пушение, истирание, повышается прочность жгута, ограничивающая его натяжение при прохожде­ нии через нитепроводы различных устройств. При пере­ работке применяют подшлихтовку — нанесение на жгу­ ты, нити, ровинги тонкого слоя полимера. В качестве шлихтующих растворов используют с)1абоконцентрированные растворы тех же связующих, что и матрица, или других высокомолекулярных соединений, например по­ ливинилового спирта [153].

Совмещение армирующего наполнителя со связую­ щим производится различными способами: нанесение раствора или расплава связующего на поверхность ар­ мирующих волокон при прохождении их через жидкое связующее или с помощью вращающегося ролика, по­ груженного в связующее; напыление жддкого связую­ щего из 'пульверизатора; пропитка под вакуумом или давлением, когда связующее просасывается или про­ давливается через армирующий наполнитель, предва­ рительно выложенный по конфигурации изделия и за­ ключенный в герметичную полость; напыление на по­ верхность ленты или ткани из армирующих волокон по­ рошка связующего и последующая пропитка расплавом при прокатке между горячими роликами; дублирование лент и тканей с пленочными связующими и последую­ щая пропитка расплавом при прокатке горячими роли­ ками или непосредственно при формовании.

Для улучшения проникновения связующего в межво­ локонное пространство применяют принудительную-про-

Если используемые связующие обладают достаточ­ ной жизнеспособностью, то после операции совмещения с армирующим наполнителем полученный материал (препрег) подвергают тепловой обработке для удале­ ния растворителей, летучих продуктов и придания препрегу липкости, необходимой для дальнейших техноло­ гических операций.

Сцособ сборки и ориентации слоев армирующего наполнителя определяется геометрией детали ц тек­ стильной формой армирующего наполнителя. При ис­ пользовании тканей, широких лент или шпона ^три из­ готовлении деталей сложной конфигурации применяют

204

ручную выкладку слоев наполнителя, предварительно раскроенных по шаблонам, на нагретую оправку,.вы­ полненную по .форме будущего изделия.

Для ориентации армирующего наполнителя в пло­ ских' деталях или в деталях однозначной кривизны из препрегов в виде лент используют специальные выкладочные машины-автоматы с программным управлени­ ем, позволяющие ориентировать монослои материала в заданном направлении.

Для получения требуемой ориентации волокон в де­ талях, имеющих форму тел вращения или близкую к ней, из композитов на основе лент, ровингов, жгутов и нитей широко применяется метод намотки, который в зависимости от ориентации волокон имеет несколько разновидностей: продольно-поперечная, хордовая, геоде­ зическая и т. д. Намотка осуществляется на многоко­ ординатных намоточных станках с программным управ­ лением.

С целью уплотнения материала при выкладке и на­ мотке на подогретую оснастку осуществляется прикатка подогретым роликом.

Ориентация волокон в профилях различных сечений осуществляется методом протяжки (пултрузии), при котором собранные в жгут волокна с нанесенным свя­ зующим протягиваются через клинообразную нагретую фильеру, где происходит уплотнение и отверждение из­ делия.

Уплотнение материала, обеспечивающее заданное соотношение компонентов, осуществляется прессовым методом при изготовлении листовых материалов между плитами пресса или деталей сложной формы в жестких пресс-формах. Недостатком этого метода является сложность изготовления эквидистантных поверхностей матрицы и пуансона и, как следствие этого, — разброс по толщине изделия и локальные неравномерности со­ держания компонентов. Кроме того, давление действует по поверхности изделия неравномерно, оно зависит от орие^ации участков поверхности относительно плоско­ сти давления.

При изготовлении крупногабаритных деталей слож­ ной формы используют методы формования, при кото­ рых обеспечивается равномерность передачи давления по всей поверхности изделия. К этим^Чиетодам относит­

2 0 5

ся вакуумное, автоклавное (гидроклавное) и пресс-ка- мерное формование; при этих способах формования давление воздуха или жидкости на уплотняемый мате­ риал передается через эластичный мешок.

Для достижения температуры, необходимой для отверждения связующего, наряду с традиционными ме­ тодами применяются нагревание токами высокой ча­ стоты (для стекловолокнитов), инфракрасный нагрев и нагрев при пропускании электрического тока через ар­ мирующий наполнитель (углеродные и борные волокна) [154, 155]. Температура и длительность нагревания оп­ ределяются завершенностью процессов отверждения связующего.

Технология изготовления деталей из волокнистых композитов обычно строится таким образом, чтобы по возможности избежать механической обработки, при ко­ торой происходит перерезание армирующих волокон и ослабление деталей.

Хотя волокнистые композиты подвергаются всем ви­ дам механической отработки на обычных универсаль­ ных металлорежущих станках, следует учитывать их не­ которые особенности: анизотропию механических свойств, низкую сдвиговую и трансверсальную проч­ ность; абразивное действие стеклянных и особенно бор­ ных волокон, обладающих высокой твердостью; низкую теплопроводность органоволокнитов, затрудняющую от­ вод тепла из зоны резания.

Механическая обработка волокнистых композитов производится алмазными кругами и сверлами, а также режущим инструментом с вставками из твердых спла­ вов при больших скоростях резания (до 60 м/с) и ма­ лых подачах 0,1—0,3 мм/об. Для резания и изготовле­ ния отверстий в бороволокнитах используется лазерная техника.

Контрольные операции при изготовлении деталей включают технологический контроль за соблюдением правильности выполнения операций и режимов техно­ логического процесса, а также входной контролу ком­ понентов материала на соответствие техническим усло­ виям: контроль образцов-свидетелей, вырезанных из припуска на изделие, предусматривающий определение состава композита, его физико-механических свойств; контроль готовых деталей неразрушающими методами,

206

позволяющими обнаружить такие дефекты, как искрйвления, разориентация и повреждение волокон, посторон­ ние включения (рентгеновским методом), расслоение, непроклей, раковины (импедансным, ультразвуковым методами), трещины (люминесцентным методом) \[156].

Поскольку процессы получения полимерных волок­ нистых композитов и изделий из них совмещены, ста­ бильность4 упруго-прочностных характеристик компози­ тов зависит не только от стабильности свойств исходных компонентов, но и от технологии их производства, ко­ торая определяет стабильность состава и структуры получаемых материалов.

Чувствительность механических свойств композитов к отклонениям от оптимального соотношения компонен­ тов, являющегося функцией степени уплотнения (давле­ ния формования), требует тщательного контроля за по­ казателями температуры и давления при формовании, гоэтому для изготовления крупногабаритных деталей сложной конфигурации используется метод автоклавно­ го формования, при котором наиболее просто обеспечи­ вается равномерность распределения давления, а следо­ вательно, и уплотнения композита.

Оптимальное содержание связующего в композици­ онном материале достигается при различных степенях уплотнения наполнителя. В расчетах необходимо при­ нимать во внимание и вариацию плотности волокон, в частности углеродных, которая может меняться в пре­ делах 1600— 1900 кг/м3, что также сказывается на со­ держании компонентов в готовом материале.

Высокая чувствительность высо(комодульных компо­ зитов к искривлениям и разориентации волокон долж­ на учитываться при разработке технологии их изготов­ ления и контроле качества. Для ортогонально-армиро­ ванного бороволокнита, в котором слои уложены под углом 8— 15° к оси нагружения, отклонение укладки .во­ локон на + 5 ° от заданного направления может приве­ сти к изменению модуля упругости при растяжении в 1,5 раза. В случае укладки под углом 30—40° при той же погрешности армирования аналогичное изменение может произойти и у модуля сдвига в плоскости арми­ рования. Поэтому при изготовлении изделий из карбо- и бороволокнитов широко применяются операции намот­ ки и выкладки на автоматических станках с програм-

207

Рис. 5.8. Основные^тапы проектирования конструкций из металли­ ческих сплавов (изотропные материалы).

следует учесть, что если прочность металлов "может быть несколько изменена в результате термической об­ работки, то их упругие характеристики остаются неиз­ менными, и необходимая жесткость конструкции дости­ гается только за счет изменения ее геометрических раз­ меров.

При проектировании композита учитывается конст­ рукционная анизотропия, при которой обеспечивается совмещение поля сопротивления материала с полем на­ гружения за счет ориентации волокон в слоях компо­ зита в направлениях нагружения в количестве, про­ порциональном действующим в этих направлениях на­ пряжениям. На рис. 5.9 приведенасхема, показываю­ щая основные этапы проектирования композита в кон­ струкции.

На первом этапе проектирования задаются геомет­ рия конструкции и технические требования к материалу: величина, направление и характер действующих нагру­ зок, температура и ресурс эксплуатации, календарный

ции заданной геометрии (форвдрвание, прессование, ьамотка и т. п.) и технологические требования к ма­ териалу. Выбор типа композита позволяет в первом приближении определить по справочнику физико-меха­ нические характеристики однонаправленного слоя ком­

209

позита (плотность, модуль упругости, прочность, теп­ лофизические свойства и т. д.). Затем с учетом свойств выбранного материала, величины и направления дейст­ вия на материал нагрузок предварительно определяют суммарную толщину слоев и направление ориентации в них волокон.

Второй этап проектирования процесса предусмат­ ривает: выбор компонентов монослоя материала, опре-

Рис. 5.9. Основные этапы проектирования конструкций из полимер? ных композитов (анизотропные материалы).

219