Композиционные материалы специального и технического назначения. Учебное пособие

По химическому составу плазму можно разделить на две основные категории:

- Плазма, не образующая полимеров; в нее обычно входят элементарные газы, такие, как кислород, водород, гелий, аргон, азот, а также воздух, галогены или газообразные химические соединения, не ведущие к образованию полимеров.

- Полимерообразующая плазма, содержащая, по крайней мере, один тип мономера органического соединения, который может быть осажден в виде полимера.

Установлено, что в зависимости от состава газа, его давления, длительности и напряжения разряда, природы материала поверхности можно менять следующие свойства поверхности: смачиваемость, относительную молекулярную массу, химический состав, адгезию, микрошероховатость, устойчивость к усадке, чистоту, пористость, способность к травлению.

Известно, что плазмохимическая обработка синтетических волокон, используемых в качестве наполнителей, приводит к улучшению их адгезии к некоторым синтетическим связующим, что приводит к существенному упрочнению композиционных материалов.

Многие технологические процессы текстильной и легкой промышленности, а также ряда других отраслей имеют своей целью м о- дифицирование свойств поверхности химических волокон и нитей, улучшения их физико-механических показателей при сохранении других характеристик. Для модификации химических волокон и волокнистых материалов все чащеприменяют высоко частотные (ВЧ) разряды, которые подразделяют на индукционный и емкостной.

Высокочастотный индукционный (ВЧИ) разряд применяется в качестве нагревателя газа, источника света, технологического устройства (например, плазмохимического реактора). Недостатками ВЧИ плазменной обработки является ограниченность области воздействия плазменного разряда, а также возможная деструкция синтетических волокон из-за нагрева материала.

ВЧЕ разряд зажигается между электродами за счет электрич е- ского поля, генерируемого токами высокой частоты. Плазма ВЧЕ ра з- ряда обладает следующими преимуществами: эффективно и устойчиво изменяет поверхностные свойства образца, не ухудшает объемных (в том числе физико-механических) характеристик, не нагревает материал до температуры, вызывающей его расплавление или деструкцию. Изменяя параметры разряда и вид плазмообразующего газа можно

81

управлять составом химически активных частиц и, следовательно, характером воздействия ВЧЕ разряда на текстильный материал.

На основании приведенных исследований по обработке натуральных и искусственных волокнистых материалов установлено, что низкотемпературная плазма ВЧЕ разряда позволяет комплексно улучшить свойства материалов. Изменяя параметры электрического разряда, вид плазмообразующего газа, можно управлять составом химически активных частиц и, следовательно, характером воздействия ВЧЕ разряда на текстильный материал. Сильная неравновесность плазмы, генерируемая ВЧЕ разрядом пониженного давления, приводит к модификации внутренних и наружных поверхностных слоев текстильных материалов, при этом обрабатываемый в плазме материал остается холодным, что позволяет с помощью плазменного потока получать эффекты, недостижимые другими видами плазменного воздейст-

вия [56].

Таким образом, обработка синтетических волокон, нитей, тканей потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления является новым перспективным способом обработки материалов текстильной и легкой промышленности, позволяет повысить адгезионные и сорбционные характеристики, улучшить физическо-механические свойства волокон и нитей. Плазменная технология относится к сухим, экологически чистым процессам, не требующим использования химических реагентов и отвода вредных веществ, поэтому исследование возможностей применения данного способа в процессе производства синтетических волокон и нитей, а также изделий из них является актуальным.

Виды воздействия ВЧЕ плазмы на текстильные материалы:

а) Термическое воздействие, так же как и в жидкостных процессах, вначале позволяет интенсифицировать процесс обработки, а при превышении допустимого значения температуры (определяемой температурой деструкции для конкретного текстильного материала) начинается процесс необратимого ухудшения характеристик материала.

б) Излучение. В плазме имеется ультрафиолетовое излучение, инфракрасное и излучение видимой части светового спектра. От мощности разряда световое излучение составляет не более 5%. В режиме плазменной обработки текстильных материалов мощность разряда составляет порядка 1 кВт. Таким образом, мощность излучения практически не оказывает существенного влияния на процесс обработки.

82

в) Кинетический удар тяжелыми частицами подразделяется на три разновидности:

- удар нейтральных частиц – определяется температурой плаз-

скольку концентрация возбужденных частиц в емкостном разряде при давлении 0,1-1 торр на три порядка ниже концентрации заряженных частиц, то воздействие их на материалы будет незначительным;

- удар ионами – энергия ионов составляет от 10-100 эВт, концентрация их равна 1012 м3, что на три порядка больше, чем концентр а- ция возбужденных частиц, поэтому данным видом воздействия пренебречь нельзя.

г) Рекомбинация заряженных частиц на поверхности текстильных материалов (под поверхностью понимаем внешние и внутренние поверхности). При плазменной обработке аргоном энергия рекомбинации составляет 15,76 эВ. При условии, что практически все заряженные частицы, попадающие на поверхность текстильного материала рекомбинируют, то их концентрация примерно равна концентрации заряженных частиц и при этом они будут также вносить свой вклад в модификацию текстильного материала.

д) Воздействие электрической составляющей электрического поля. Напряженность поля при плазменной обработки составляет примерно 1012 В/см. Для прямого воздействия на натуральные ВМС н а- пряженность полей должна составлять 1014 В/см, т.е. воздействием электрического поля можно пренебречь.

е) Воздействие магнитной составляющей электромагнитного поля. Напряженность магнитного поля равна 150 А/м. Существенное изменение происходит при напряженности магнитных полей 1000 А/м и следовательно воздействием магнитных полей можно пренебречь.

Таким образом, из всех перечисленных факторов существенными являются кинетический удар заряженными частицами, рекомбинация и термическое воздействие [56].

Плазменные установки должны быть достаточно универсальными и пригодными к тиражированию. Поэтому они должны состоять из стандартных блоков и элементов, выпускаемых промышленностью. А для разработки прогрессивных технологических процессов, исследования взаимодействия плазмы с поверхностью обрабатываемых изде-

83

лий плазменные установки должны быть снабжены диагностической аппаратурой, позволяющей определить и контролировать ответственныеза обработку параметры разряда.

Опытная ВЧЕ плазменная установка, предназначенная для модификации капиллярно-пористых и волокнистых материалов, представлена на рис. 9.1 [13].

Рис. 9.1. Схема опытной ВЧЕ установки: 1 – стеклянная рама для установки образца; 2– ВЧ-электроды, 3 – колпак вакуумной камеры; 4– консоль для открытия крышки вакуумной камеры; 5– вакуумная камера; 6 – система подачи и регулировки плазмообразующего

газа; 7– ВЧ-генератор; 8 – вакуумный откачной пост

Обработку волокон, нитей и тканей проводили следующим образом: образцы закрепляли на стеклянную раму (1) и устанавливали между ВЧ электродами (2) в вакуумной камере (5), закрывали вакуу м- ную камеру. При закрытии крышки вакуумной камеры с помощью консоли (4) электроды устанавливаются в рабочее положение. Далее производили предварительную откачку вакуумной камеры при помощи откачной системы (8). Затем в разрядную камеру напускали плазмообразующий газ, через систему подачи (6). Устанавливали заданное давление, включали ВЧ генератор (7). Под действием электромагнитного поля от электродов происходил нагрев плазмообразующего газа до состояния плазмы. Режим плазменной обработки регулировали путем изменения напряжения на аноде Uа, силы тока на аноде J а, давления в разрядной камере P, расхода газа G, длительности обработки τ.

84

Использование в исследованиях ВЧ разрядов различных типов потребовало создания ВЧ генераторов, собранных по одноконтурной схеме, настроенных на емкостную нагрузку на разрешенной частоте 13,56 МГц. Потребляемая мощность генераторов варьировалась в диапазоне от 2,0 до 20,0 кВт. Для дистанционного управления в генераторном блоке предусмотрен специальный клемник, к которому могут быть подключены дублирующие измерительные приборы и коммутационная аппаратура, расположенные на выносном пульте управления. В левой части генераторного блока расположены: анодный трансформатор, высоковольтный выпрямитель, контактор.

Генератор расположен в отдельном шкафу. В этом шкафу размещены все высокочастотные цепи генератора: генераторная лампа, регулятор мощности, регулятор обратной связи, батарея конденсаторов анодного контура, анодный и сеточный дроссели и колебательный контур. Доступ к ВЧ элементам генераторного блока осуществляется через боковую дверь.

Плазмотрон для получения потока плазмы ВЧЕ типа с плоскими электродами представляет собой две водоохлаждаемые медные пластины размером 20х30 см или диаметром 40 см. Электроды размещены в вакуумном блоке. Между электродами может размещаться приспособление для закрепления образцов с устройством для их вращения в процессе обработки.

Вакуумный блок изготовлен в цилиндрическом исполнении. В нем дверца отодвигается по специальной консоли вместе с заземленным электродом. Загрузка осуществляется в камеру через торцевую дверцу в камере. При закрытии крышки вакуумной камеры пл астины устанавливаются в рабочее положение. На дверце предусмотрен вакуумный ввод вращения для возможности вращения изделий во внутрикамерном объеме.

Основание вакуумного блока смонтировано в виде сварного каркаса. На каркасе блока размещены двух роторныенасосы и система водяного охлаждения узлов установки.

Механическая откачная система состоит из трех насосов: механического насоса типа НВЗ-63 и двух роторных насосов типа ДВН-250 и ДВН-600 со скоростями откачки соответственно 63,50 и 150 л/с. При использовании активных газов в ряде случаев использовалось силиконовое масло.

Система питания плазмотрона рабочим газом состоит из баллона со сжатым газом, редуктора для понижения давления, образцового ма-

85

нометра и ротаметра для определения расхода газа, игольчатого натекателя для регулирования расхода и устройства для получения смеси газов.

Система водоснабжения установки служит для обеспечения заданного теплового режима деталей и узлов, наиболее нагруженных в тепловом отношении: генераторной лампы, индуктора, разрядной камеры, вакуумного колпака. Подвод воды к установке и отвод из нее осуществляется при помощи резиновых шлангов.

Аппаратура контроля применяется для контроля входных параметров установки: ВЧ напряжения и тока, частоты генератора при проведении всех экспериментов по обработке материалов. Для измерения пониженного давления в ходе исследования использовался образцовый манометр. Калибровка образцового манометра производилась по показаниям компрессионного манометра Брунера, с помощью которого оценивалась также точность показаний. Погрешность измерения давления в рабочей камере составляет 5 %.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение понятия «модификация волокон». Какие виды модификации Вы знаете?

2.Расскажите о физических методах модификации волокон.

3.Какие методы химической модификации Вамизвестны?

4.Что такое композитная модификация? Какими недостатками она обладает?

5.Перечислите способы придания текстильным материалам биостойкости.

Рекомендуемая литература

1. Изменение поверхностных свойств полипропиленовой нити под воздействием ВЧЕ разряда / В.Х. Абдуллина [и др.] // Новые те х- нологии и материалы легкой промышленности: cб. статей V межд. на- уч.-практ. конф. студентов и молодых ученых. – Казань: Изд-во КГТУ,

2009 – С. 82-85.

2. Абуталипова Л.Н. Модификация волокнистых высокомолекулярных материалов легкой промышленности неравновесной низкотемпературной плазмой: учеб. пособие/ Л.Н. Абуталипова // Казань: Из-во Казан. гос. технол. ун-та, 2001. – 168 с.

86

10 КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. ТЕХНОЛОГИИ

ИХ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Композиционный материал – конструкционный материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Композиционный материал (композит, КМ) – искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды [57].

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической проч-

87

ности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это – гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера и др. Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит – и более дешевые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

Типы композиционных материалов:

а) Композиционные материалы с металлической матрицей Композиционные материалы состоят из металлической матрицы

(чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсноупрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

б) Композиционные материалы с неметаллической матрицей Композиционные материалы с неметаллической матрицей на-

шли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная [57].

Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

88

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.

Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об. %. Чем вышепрочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты иоргановолокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направлениедействующих нагрузок. Можно создать материалы как с из о- тропными, так и с анизотропными свойствами.

Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырех направленных материалов сложнее, чем трех направленных.

Классификация композиционных материалов [57] а) Волокнистые композиционные материалы

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом парал-

89

лельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50-10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.

Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются выс о- кие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида инитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных ма-

90