3.1 Межфазное взаимодействие

3.1.1 Армирующие волокна

Основные требования к волокнам: прочность, жесткость, плот­ность, стабильность свойств в определенном температурном интервале, химическая стойкость и другие специфические свойства для индивидуальных композиционных материалов.

Теоретическая прочность материалов σ_м по закону Гука возра­стает с увеличением модуля упругости Е и поверхностной энергии γ вещества и падает с увеличением расстояния между соседними атомными плоскостями а₀:

илигде σ_м - теоретическая прочность материала, Н/м²; Е - модуль упругости Н/м²; ε - относительное удлинение, %; γ- поверхностная энергия, Дж/м²; а₀ - расстояние между атомными плоскостями, м.

Следовательно, высокопрочные материалы должны иметь высо­кие Е и γ и максимально возможное содержание атомов в единице объема, т. е. малое а₀. Этим требованиям лучше всего удовлетворяют Н, Ве, В, С, N. О, Al и Si. Наиболее прочные материалы всегда содержат один или несколько из этих элементов. Практически, чем меньше атомная масса элемента, тем меньше размер атома и тем большее их количество находится в единице объема.

Действительно, на практике применяются высокопрочные стеклян­ные, углеродные, борные и органические волокна, металлические проволоки, а также волокна и нитевидные кристаллы карбидов, ок­сидов, нитридов, боридов и других соединений. Вводятся они в форме моноволокон, нитей, проволоки, жгутов, сеток, тканей и лент.

Кроме указанных нитей и усов, часто применяются тонкие метал­лические проволоки, например стальные, вольфрамовые, титановые и др. Конечно, в настоящее время создано очень много наполнителей, особенно из синтетических материалов.

Для технического применения армирующие материалы, кроме прочности, должны обладать достаточной жесткостью, невысокой плотностью, стабильностью свойств в определенном температурном интервале, химической и биологической стойкостью, другими специфическими свойствами, необходимыми при их использовании. Во всех случаях должно выполняться требование, определяемое возможностью их технологической переработки.

Ниже будут рассмотрены некоторые волокна, методы их получения и применения в КМ. Отдельные виды волокон будут представлены в разделах, посвященных различным КМ, например стеклянные - в стеклопластиках и т. д. Рассмотрены будут те волокна, которые чаще всего встречаются на практике и, в частности, в ракетной технике.

3.1.2. Матричные материалы

Матрица - это важнейший элемент КМ, который обеспечивает монолитность композита, фиксирует форму изделия и взаимное рас­положение волокон, распределяет действующие напряжения по объе­му материала, обеспечивая равномерную нагрузку на волокна.

Материал матрицы определяет метод изготовления изделий из КМ. Таким образом, требования есть эксплуатационные и технологические. Механические свойства матрицы должны обеспечить совместную ра­боту армирующих волокон при различных видах нагружения.

Природа матрицы определяет уровень рабочих температур КМ, поведение в атмосфере, химическую стойкость, теплофизические, электрические и другие свойства. Например, сегодня есть такие мат­рицы, которые при необходимости даже могут изменять цвет.

Технологические требования к матрице вытекают из требова­ния одновременного получения материала и изделия из него, т. е. определяются процессами совмещения армирующих волокон с мат­рицей и окончательного формообразования изделия.

Кроме того, к материалу матрицы предъявляются следующие требования: хорошая смачиваемость волокна, возможность предва­рительного изготовления полуфабрикатов, например препрегов с последующим изготовлением из них изделий; качественное соеди­нение слоев композита в процессе формования; невысокие значения параметров формообразования (температуры, давления) и т. п. Как правило, для дисперсионо-упрочненных и порошковых материалов давления формования высокие (десятки и сотни МПа), для волокнис­тых - намного ниже (единицы и доли единиц МПа).

Особое внимание при создании КМ придается границе раздела во- локно-матрица, т. к. адгезия на этой границе определяет уровень свойств КМ и их сохранение при эксплуатации. Для повышения адгезионной прочности применяются специальные технологические приемы:

1)нанесение специальных очень тонких покрытий, так называ­емых аппретов. Как правило, они наносятся на волокна в процессе получения последних или при их переработке. Это могут быть силаны, обладающие несимметричной молекулой типа Si - О - Ме; для угольных волокон это могут быть специальные покрытия SiС, Si₃М₄, В₃N, В₂С, одновременно являющиеся и защитными;

2)химические, электрохимические, плазменные методы, напри­мер для углеродных волокон;

3) механические - применяются для органических волокон по типу «распушивания» с помощью воздушной струи.

Существует несколько групп КМ в зависимости от материала матрицы:

- с полимерной матрицей - пластики;

- с металлической матрицей - металлокомпозиты;

- с керамической матрицей и металлическим наполнителем - керметы;

- с углеродной матрицей - углеродные КМ;

- стеклокомпозиты - со стеклянной матрицей;

- карбидные матрицы, появившиеся в последнее время, например SiС.

В свою очередь, КМ с одной матрицей, но различными наполни­телями имеют свои названия. Так, к группе полимерных пластиков относятся в зависимости от армировки или наполнителя:

- стеклопластики - наполнитель - стекловолокно;

- углепластики - угольное волокно;

- углеметаллопластики - угольные и металлические волокна;

- органопластики - органическое волокно.

По аналогии существуют КМ и с другими матрицами, напри­мер боралюминий, где матрицей является алюминий, а наполните­лем - борные волокна или усы; углерод-углеродный КМ, где угле­родные волокна скреплены углеродной матрицей.

Важнейшим достоинством КМ является возможность созда­вать из них конструкции с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру эксплуатации.

Свойства волокнистых КМ зависят не только от свойств мат­рицы и волокна, а и от способа армирования.

На рис. 8 приведены наиболее применяемые способы армирования.

При волокнистом армировании КМ материал и изделие созда­ются одновременно, т. е. в рамках одного технологического про­цесса. Здесь нельзя ни ковать, ни штамповать, ни сваривать; един­ственная операция это, пожалуй, мехобработка, да и то незначитель­ная (подрезка торцов, обработка поверхности).

В КМ образуется комплекс свойств, заимствованных как от во­локна и матрицы, так и новых, например, повышаются стойкость ма­трицы к трещинообразованию, воздействию влаги, усталостная про­чность, жесткость всей конструкции, вязкость, появляются новые электротехнические свойства, иногда даже оптические и другие. На­пример, материал РТП-170, созданный на основе эпоксидной смолы и стекловолокна, кроме необходимых абляционных свойств, обла­дает радиопрозрачностью в определенном диапазоне длин волн.

Стеклопластик, примененный как материал транспортно-пускового контейнера (ТПК), благодаря введению специальных нитей обладает удовлетворительной электропроводностью, необходимой для сня­тия статического электричества.

г д е

Рис. 8 Классификация композитов по конструктивному признаку:

а, б - короткие волокна; в - три семейства нитей; г, д - непре­рывные волокна; е - п - семейство нитей

Теоретическая прочность стали о_т = 10 000 МПа, но за последние 50 лет (40-е.. .90 гг.) она достигла только 2 300 МПа (230 кгс/мм²).

Стеклянная нить диаметром 22 мкм имеет σ = 220 МПа, а с диаметром 2,5 мкм - 5 600 МПа (560 кгс/мм²), и это при плотности 2 200 кг/м³ (у стали плотность 7 800 кг/м³). Углеродные волокна уже сегодня имеют прочность на разрыв σ = 5 000 МПа, а в будущем могут достигнуть σ = 10 000 МПа; модуль упругости составляет Е = 450 000 МПа при плотности р = 1 600 кг/м³.

В настоящее время волокна получают практически из любого тугоплавкого материала, например из карбида кремния SiС. Они обладают более высокой жаростойкостью, чем углеродные, и мо­гут выступать в качестве армирующего наполнителя с полимерной и металлической матрицей. Существуют композиционные материа­лы в которых 81С выступает даже в роли матрицы.

За последние два десятилетия созданы органические волокна с прочностью σ > 5 000 МПа, а плотность их не превышает 1 700 кг/м³. В Украине ИПМ НАНУ созданы базальтовые волокна, налажено их производство. Замена железобетона на базальтобетон может сэкономить около 10 млн. тонн стали. Появление и широкое распростране­ние КМ совершенно меняет характер производства, здесь нет ни при­вычных доменных и мартеновских печей, ни прокатных станов и дру­гого оборудования, присущего производству металлов и изделий из них. Уже сейчас КМ находят широкое применение в авиации, а сов­ременная ракета с твердотопливными двигателями на 75 % изготов­лена из КМ, и в основном из неметаллических. За рубежом уже по­являются автомобили, кузова которых изготовлены из армирован­ных пластиков. У нас , к сожалению, из-за перестройки, или, как те­перь называют, реформы, развитие КМ несколько замедлилось [6 ].