Параметры деформирования титановых матриц

Таблица 2.1

Материал	Температура деформирования Т, ºС	Напряжение сверхпластического течения, МПа
ВТ1-0 ОТ4-1 ВТ3-1 ВТ-14	940 1010 820 850-875	12-15 11-15 4-6 11-15

Углеродная матрица. Углеродная матрица, подобная по физико-механическим свойствам углеродному волокну, обеспечивает термостойкость углерод-углеродного композиционного материала и позволяет наиболее полно реализовать в композите уникальные свойства углеродного волокна. Метод получения углеродной матрицы определяет ее структуру и свойства.

Получается в результате специальной обработки (карбонизации) систем, состоящих из углеродных волокон и фенольных смол или пеков. Отвержденную смолу подвергают пиролизу в инертной среде или в вакууме. Если конечная температура не превышает 800-1500 С, получается карбонизированный материал. В случае нагрева карбонизированного материала до 2500-3000 С происходит его графитизация. Пиролиз, как правило, сопровождается усадками и увеличением пористости, что вызывает необходимость последующего уплотнения матрицы. Процесс уплотнения осуществялется пропиткой органической смолой или пеком и повторным циклом пиролиза или пропусканием углеродосодержащего газа, в результате которого происходит пиролитическое осаждение углерода в порах. Многократное повторение цикла пропитка-отверждение-карбонизация благоприятно сказывается на механических свойствах композита, но ведет к значительному увеличению продолжительности изготовления.

Углеродная матрица может быть также образована прямым химическим осаждением из газовой фазы на заготовки из сухого углеродистого волокна. При этом используют метан или другой подобный углеводород в комбинации с водородом или аргоном.. Процесс осуществляют при сравнительно высокой температуре порядка 1000-1500 С. Матрицы, полученные методом химического осаждения, имеют большую плотность, более высокое содержание углерода, лучшие характеристики сцепления матрицы с армируюшим волокном, но и более высокую стоимость, чем матрицы полученные из смол и пеков.

Основые преимущества композитов с углеродной матрицей состоят из высокой теплостойкости, стойкости к тепловому удару и облучению, химической инертности. Эти материалы обладают высокими механическими характеристиками при повышенной температуре, малой плотностью и рядом других ценных свойств, позволяющих их применять в термонагруженных защитных и конструкционных элементах.

К их недостаткам можно отнести длительность и сложность процесса получения углеродной матрицы, ее хрупкость, а так же трудности, возникающие при решении проблемы крепления и соединения деталей из этих материалов.

Полимерные матрицы. В качестве матричных материалов полимерных композитов используют термореактивные и термопластичные связующие.

Многие полимерные матрицы, являясь по сути термореактивными, обладают также термопластичными свойствами. Тем не менее, традиционная классификация делит полимерные матрицы на два типа: термореактивные и термопластичные. Различаются они как по технологии производства готовых изделий, так и по механико-прочностным свойствам.

Термореактивные матрицыобразуются из смолы, отвердителя, катализатора или инициатора отверждения, и растворителя, который иногда вводят для понижения вязкости и улучшения процесса пропитки системы армирующих элементов. В исходном состоянии термореактивное связующее представляет собой вязкую жидкость, которая после полимеризации при нормальной или повышенной температуре отверждения образует нерастворимую и неплавкую матрицу.

В производстве конструкций из композитных материалов в настоящие время используются полиэфирные, фенолформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и полиимидные связующие.

Полиэфирные связующие отвержадаются в диапазоне от комнатной температуры и атмосферном давлении до +180 С и при повышенном атмосферном давлении.

К достоинствам полиэфирных связующих относятся малая вязкость полимеров, обеспечивающая простоту совмещения с волокнами; простота модифицирования другими смолами, хорошие химические и электрические свойства.

К недостаткам относится: слабая адгезия, большая усадка, невысокий уровень механических характеристик в отвержденном состояниии наличие в составе токсичных веществ типа стирола.

Фенолформальдегидные связующие. В зависимости от соотношения компонентов и условий процесса получения, образуются новолачные и резольные феноформальдегидные смолы. Они отверждаются при температурах 160-200 С, с применением значительного давления 30-40 МПа и выше. Получаемые в результате полимеры стабильны при длительном нагревании до 200 С , а в течение ограниченного времени способны противостоят воздействию и более высоких температур - несколько суток при температурах 200-250 С, несколько часов при темперауре 500-1000  С. Разложение начинается при тмпературе около 3000 С.

К недостаткам таких смол можно отнести их хрупкость, что обусловлено значительными остаточными напряжениями, возникающими в материале при отверждении, и большую объемную усадку (15-20 %) при отверждении, связанную с выделением большого количества летучих веществ. Чтобы получить материал, необходимо применять высокие давления.

К достоинствам фенолформальдегидных связующих относятся их хорошие изолирующие свойства и устойчивость к влаге. Химическая устойчивость также достаточно высока, за исключением концентрированных кислот и щелочей.

Эпоксидные связующие обладают целым комплексом благоприятных свойств, определивших широкое применение в производстве КМ. К этим свойствам относятся: выдающаяся химическая стойкость, высокие диэлектрические характеристики, превосходная адгезия, позволяющая наиболее полно использовать свойства армирующих волокон, и малая усадка при отверждении (1-5%), практически без выделения летучих вешеств. Эпоксидные связующие могут долгое врямя находится в полуотвержденном состоянии, что позволяет изготовлять на основе эпоксидных смол различного вида предварительно пропитанные и частично отвержденные полуфабрикаты (препреги). Отвержденые эпоксидные связующие имеют достаточно высокие механические характеристики, стойки к воздействию многих растворителей и агрессивных сред, влагостойки, и могут эксплуатироваться до температуры 150 С.

К недостаткам эпоксидных связующих относится их относительно невысокая теплостойкость, приводящая к резкой потере прочностных свойств при температурах, близких к температуре стеклования полимера.

Модифицированные эпоксидные связующие имеют повышенную теплостойкость, и пластики на их основе могут оставаться работоспособными при температурах 180...200 ºС.

Кремнийоргнаические связующие характеризуются работоспособностью в широком интервале температур (от –200 до +350 С), стойкостью к действию органических растворителей и минеральных кислот, высокими диэлектрическими свойствами.

К недостаткам относятся: низкие, по сравнению с другими связующими, механические свойства при невысоких температурах (до 100 С); необходимость высоких давлений при формовании изделий; длительный цикл отверждения и высокая стоимость.

Полиимидные связующие. В качестве связующих полиимиды можно использовать только на промежуточных стадиях их получения, так как на конечной стадии образования они теряют пластичность и растворимость. Они отверждаются при сравнительно высокой температуре (300-350 С) и отличаются стойкостью к действию различных агрессивных сред, стабильностью в широком интервале температур, хорошими механическими свойствами при температуре, большей чем у других полимеров (около 320 С).

Первоначально использовали поликонденсационные полиимидные связующие, при отверждении которых выделялось большое количество низкомолекулярных веществ и воды, что приводило к большой пористости пластика (до 20 % объема).

В настоящее время предпочтение отдают полиимидным связующим полимеризационного типа, состоящим из олигомеров и смесей имидообразующих мономеров. На волокно связующее наносится из их растворов (40%-ной концентрации). Эти связующие пригодны для совмещения с волокнами различными методами, и на их основе можно изготавливать препреги с длительной жизнеспособностью.

К недостаткам полиимидных связующих относятся значительные технологические трудности изготовления изделий из материалов на их основе.

Термопластичные матрицы. В последнее время все чаще в качестве матриц находят применение термопластические (расплавляемые при нагревании и затвердеваемые при охлаждении) связующие. Преимущества таких матриц по сравнению с термореактивными заключается в отсутствии такого длительного и энергоемкого процесса, как полимеризация, расширение технологических возможностей вследствие применения характерных для термопластов методов производства – штамповки, гибки, послойного комбинирования листовых заготовок, сварки, пултрузии и т.п. Термопластические полимеры, обладая завершенной химической структорой (которая имеет по сути неограниченную жизнеспособность) по уровню механических характеристик не уступают термореактивным, а по уровню химических (устойчивость к растворителям, топливу и маслу) превосходят их. Также термопластичные связующие обладают высокой термостойкостью в пределах температур от 120С до 200С. К конструкторским преимуществам композитов на основе термопластичных связующих относят надежность изделий из них, достигаемую прежде всего вследствие низкого уровня остаточных напряжений, релаксирующих в термопластичной матрице в первые часы после формования изделия.

Среди недостатков выделяются два: первый - их механические свойства более температурно зависимы, чем у термореактивных связующих. Второй же недостаток технологического характера: для производства изделий требуется сравнительно высокая температура (~380 С), а так же по причине высокой вязкости расплавов термопластических связующих приходится при производстве применять достаточно высокое давление, что зачастую приводит к разрушению армирующих волокон. Одним из вариантов выхода из этой ситуции является использованние технологии чередования слоев армирующих волокон и пленки связующего (например высокомодульных органических волокон и полиамидной пленки), правда, при таком совмещении глубина пропитки существенно зависит от толщины армирующих нитей, жгутов, лент, а также от сложности геометрии формы формуемого изделия (двойная кривизна, поднутрения и т.п.), или формирование жгутов и лент из армирующих и термопластичных элементов (например из поликапроамида, полипропилена, полиамида). В процесссе термобработки под давлением, термопластичные пленки и волокна расплавляются и, заполняя пространство между армирующими элементами, образуют непрерывную матрицу.

Применение матричных термопластичных волокон позволяет получать сверхвысокоармированные композиты с предельной степенью армирования, близкой к единице, низкой пористостью (до 0,25 % объема), а в некоторых случаях создавать безматричные композиты, в которых монолитность армирующих волокон достигается за счет их сварки или аутогезионного взаимодействия.

Среди термопластичных связующих особое место занимают связующие нового типа, называемые роливсанами, которые дают возможность сочетать высокую теплостойкость композита и легкую перерабатываемость связующего. Роливсаны предназначены для получения композитов и изделий из них с широким диапазоном температур эксплуатации (270...620 К). Основным преимуществом роливсанов перед другими связующими является сочетание жидкого состояния малотоксичной исходной композиции, незначительного выделения побочных летучих продуктов при ее отверждении, с высокой теплостойкостью и прочностью как самой матрицы, так и композитов на ее основе.

Физико-механические характеристики:

Характеристика	Роливсан НВ-1
Предел прочности при растяжении, МПа Модуль упругости, ГПа Плотность ρ·10‾³, кг/м³ Теплостойкость Т, ºС Относительное удлинение, %	60 2,0 1,16 320 3-4

Полимерные пленочные материалы.Пленками называют материалы, представляющие собой сплошные тонкие слои вещества. Специфическим показателем для пленок являеттся соотношение между массой и поверхностью. Для технических пленок характерно сочетание высокой прочности с гибкостью. Узкие пленки называют лентами.

Классифицируют пленки по их химической основе (полиэтиленовые, полистирольные и т.д.), иногда в соответствии с распространенным фирменным названием (целлофан, саран, лофеон).

Таблица 1.3 Физико-механические характеристики отвержденых связующих

Параметр	Термореактивне связующие					Термопластические связующие
	Поли-эфирные	Феноло-формаль-дегид- ные	Эпок-сидыне	Кремний органиче-ские	Полиамид- ные	Нейлон	Полифе-нилен-сульфид	Сопо-лимер этилена	Полису-льфон	Полиэфир термопла-стичный
Предел прочности, Мпа -при растяжении	30-70	40-70	35-100	25-50	90-95	83	77	45	72	56
- при сжатии	80-150	100-125	90-160	60-100	250-280
Модуль упругсти, ГПа	2,8-3,8	7-11	2,4-4,2	6,8-10	3,2-5	2,8	4,2	1,4	2,7	2,5
Плотность10-3, кг/м3	1,2-1,35	1,2-1,3	1,2-1,3	1,35-1,40	1,41-1,43	1,14	1,34	1,7	1,25	1,32
Теплостой-кость, С	50-80	140-180	130-150	250-280	250-320	65	135	74	174	68
Относительное удлиннение, %	1,0-5,0	0,4-0,5	2-9	0,3-0,5	1-2,5	10	3-4	150	50-100	10
Объемная усадка, %	5-10	15-25	1-5	15-20	3-20

Таблица 1.4 Сравнительные характеристики отвержденых связующих

Параметр	Термореактивные связующие				Термоп-ластические связующие
	Поли-эфирные	Эпоксидыне	Феноло-формаль-дегид- ные	Полиимид- ные
Техноло-гичность
Механические свойства
Теплостой-кость, С	50-80	130-150	140-180	250-320	120- 200
Стоимость
Устойчивость к поврежденям
Прочность

-отлично -хорошо -посредственно

В соответсвии сo свойствами термореактивных связующих, области их применения разграничиваются следующим образом:

Полиэфирные связующие: используются в малоответственных деталях, интерьере, преимущественно со стекловолокном.

Эпоксидные связующие: наилучшие характеристики. Наиболее широко использование (в том числе в высокоответственных и в высоконагруженных элементах конструкции. Основное связующие углеродных волокон.

Фенолоформальдегидные связующие: используются в малоответственных деталях, интерьере, преимущественно со стекловолокном.

Полиимидные связующиеиспользуются в конструкциях, работающих в условиях высоких температур.

Рис 1.2. Пример использования различных типов КМ в конструкции: