3.7.2. Композиты на полимерной органической основе

По сравнению с композиционными материалами на металлической основе материалы с неметаллической полимерной основой имеют следующие достоинства:

• хорошую технологичность;

• низкую (малую) плотность;

• более высокие удельные прочность и жесткость (в целом ряде случаев);

• высокую коррозионную стойкость;

• хорошие теплозащитные и амортизационные свойства и т.д.

Однако для большинства композиционных материалов с полимерной матрицей характерны следующие недостатки:

• недостаточная прочность связи волокна с матрицей;

• резкая потеря прочности при повышении температуры выше 100 – 200ºС;

• трудность или невозможность применения сварки.

В настоящее время наибольшее распространение получили конструкционные материалы с эпоксидными, фенолоформальдегидными и полиимидными матрицами. В качестве упрочнителей применяют волокнистые и слоистые армирующие материалы.

А. Волокнистые композиционные материалы на полимерной основе

В качестве армирующих наполнителей применяются высокопрочные и высокомодульные углеродные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент, нетканых материалов.

Группы конструкционных материалов, армированных однотипными волокнами, имеют названия, указывающие на природу волокна: углеволокниты, бороволокниты, стекловолокниты, асбоволокниты и органоволокниты.

В производстве органоволокнитов используют как упругие (лавсан, капрон, анид), так и более жесткие (арамиды, нитрон, винол) синтетические волокна.

По сравнению с неармированными пластиками волокниты имеют повышенную прочность (σ_р=σ_в), а главное – достаточно большую ударную вязкость (УУВ=KCU). Органоволокниты имеют KCU≥10 КДж/м², а стекловолокниты характеризуются KCU≥20 – 30 КДж/м².

Асбоволкниты сочетают высокую теплостойкость (~200ºС) с большим коэффициентом трения (f_тр) по стали и применяются в качестве фрикционных материалов в тормозных устройствах (см. также разд. 3.2.4.).

Особую группу волокнитов образуют материалы с параллельно расположенными непрерывными волокнами наполнителя. Ориентация волокон в одном направлении служит причиной анизотропии: вдоль волокон прочность максимальна, а в поперечном направлении – минимальна.

Б. Слоистые композиционные материалы на полимерной основе (слоистые пластики)

Слоистые пластики представляют собой группу самых прочных и универсальных по применению пластмасс.

Свойства слоистых пластиков зависят от природы полимерной матрицы (связующего) и наполнителя, способа укладки слоев наполнителя в материале и объемного соотношения между полимером и наполнителем.

По природе наполнителя слоистые пластики разделяют на следующие виды:

• текстолиты – с тканями из органических волокон (очень часто – с хлопчатобумажными тканями, т.е. текстилем);

• гетинаксы – с бумагой;

• древесно-слоистые пластики (ДСП) – с древесным шпоном;

• стеклотекстолиты – с тканями из стеклянных волокон;

• асботекстолиты – с тканями из асбестового волокна.

Чаще всего слоистый пластик содержит около 50% полимерного связующего. При таком содержании связующего достигается почти оптимальное сочетание прочности с химической стойкостью и водостойкостью материала.

Наименьшую механическую прочность имеют гетинаксы, наибольшую – стеклотекстолиты и стеклопластик СВАМ (см. табл. 7 на стр. 42).

Из всех слоистых пластиков текстолиты отличаются самым прочным сцеплением между полимером и наполнителем и лучше других поглощают вибрацию.

Стеклотекстолиты высокую прочность и жесткость сочетают с малой плотностью (ρ=1,8 – 1,9 т/м³), т.е. отличаются высокой удельной прочностью. К тому же, стеклотекстолиты по способности поглощать вибрацию превосходят стали и сплавы на основе титана и алюминия, т.е. имеют хорошую усталостную выносливость при воздействии переменных нагрузок.

Слоистые пластики со стеклянным или синтетическим волокном в течение десятков секунд выдерживают температуру свыше 3000ºС. В поверхностных слоях материала разрушается полимер, оплавляется наполнитель и образуется тугоплавкий кокс, защищающий более глубокие слои материала от термического разложения. Эта особенность лежит в основе применения армированных пластиков в качестве теплозащитных материалов (в том числе – для ракетно-космической техники).

3. Композиты на углеродной основе (углерод-углеродные материалы)

Углерод-углеродными материалами называются композиционные материалы, содержащие углеродную матрицу, армированную углеродными волокнами или тканями на их основе. Одинаковая химическая природа и близкие физико-химические свойства обеспечивают прочную связь наполнителя с матрицей и определяют уникальные свойства данного типа композиционных материалов.

Механические свойства этих композиционных материалов в большой мере зависят от схемы армирования: σ_в может меняться от 100 до 1000 МПа. Наиболее предпочтительным является многоосное армирование, при котором армирующие волокна располагаются в различных направлениях.

Помимо высокой прочности и большой жесткости углерод-углеродным композиционным материалам присущи следующие достоинства:

• малая плотность (ρ=1,3 – 2,1 т/м³);

• высокая тепло- и термостойкость;

• большое сопротивление тепловому удару, эрозии и облучению;

• низкие коэффициенты трения и линейного термического расширения;

• высокая коррозионная стойкость;

• широкий диапазон электрических свойств (от проводников до полупроводников).

Исходным материалом для матриц служат синтетические смолы (олигомеры) с высоким коксовым остатком: фенолформальдегидные, эпоксидные, фурановые и др.

Кроме того, для создания матриц используют каменноугольные и нефтяные пропитывающие пеки, представляющие собой сложную смесь полициклических ароматических углеводородов.

Структура и свойства композиционных материалов в большой степени зависят от способа их получения. Один из распространенных технологических процессов получения углерод-углеродных композиционных материалов включает стадии:

• пропитку углеродных волокон смолой (олигомером) или пеками;

• намотку заготовки, её отверждение и механическую обработку на заданный размер;

• карбонизацию при 800 – 1500ºС в неокислительной среде (например, в инертном газе);

• уплотнение пиролитическим углеродом;

• графитизацию при 2500 – 3000ºС;

• нанесение противоокислительного покрытия из карбидов кремния и циркония.

Для получения композиционных материалов заданной плотности цикл «пропитка – отверждение – карбонизация» проводят многократно.