Глава 8. Композиционные материалы.

8.1. Виды, качественные показатели и особенности получения композиционных материалов.

К новым конструкционным материалам, которые по прочности, жесткости и другим физико-механическим свойствам значительно пре­восходят известные конструкционные сплавы, относятся так называемые композиционные материалы (КМ), илн, иначе, композиты.

КМ - это искусственно созданный материал, состоящий из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов (фаз), соединенных между собой физико-химическими связями, и обла­дающий характеристиками превосходящими средние показатели составляющих его компонентов.

В общем случае в КМ четко выражено различие в свойствах компо­нентов. Одним из этих компонентов является арматура или наполнитель, а вторым -связывающая их матрица.

Принципиальное значение замены металлов как традиционных конструкционных материалов на КМ состоит в том, что вместо ограниченного числа материалов с постоянными и практически равными во всех направлениях свойствами появляется возможность применять большое число новых материалов со свойствами, различающимися в различных направлениях в зависимости от направления ориентации наполнителя в материале (анизотропия свойств КМ). Более того, это различие свойств КМ является регулируемым и у конструктора появляется возможность направленно создавать КМ под конкретную конструкцию в со­ответствии с действующими нагрузками и особенностями ее эксплуата­ции. Поэтому правильно спроектированная и хорошо изготовленная конструкция из КМ может быть более совершенной, чем выполненная из металлов. Само создание изделий из КМ является примером единства конструкции и технологии, поскольку материал, спроектированный конструктором, образуется одновременно с изделием при его изготов­лении и свойства КМ в значительной степени зависят от параметров технологического процесса.

Вместе с тем специфика КМ, в частности их низкая прочность и жесткость при сдвиге, требует внимательного отношения к конструктивно-технологической отработке конструкции: расчету сложных мно­гослойных систем, сохранению в изделии высоких прочностных свойств армирующих волокон, получению стабильных характеристик КМ.

КМ получают общее название по типу материала матрицы. КМ с по­лимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической - ме­таллическими (МКМ), с керамической - керамическими (ККМ), с угле­родной - углерод-углеродными (УУКМ).

В качестве матрицы в КМ используют эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и другие смолы, соответственно алюминий, маг­ний, титан, никель, жаропрочные сплавы и другие металлы, а также керамику и углерод различной модификации.

Матрица в КМ выполняет функцию среды, в которой распределен наполнитель. Податливая матрица, заполняющая межволоконное прост­ранство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица – волокно.

Наполнитель в КМ воспринимает основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, придавая ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Арматура в КМ может быть любой природы и иметь любую форму поверхности - непрерывные и дискретные волокна, чешуйки, микросферы, порошки и т. п. В совре­менной технике наиболее широко применяют непрерывные высокопрочные волокна, которые обеспечивают наиболее высокие механические характеристики получаемого КМ. Чаще всего используют стеклянные, органи­ческие, углеродные, борные и различные металлические волокна.

Работоспособность композиционного материала обеспечивается как правильным выбором и сочетанием матрицы и наполнителя, гак и рациональной техно­логией их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между ни­ми.

Волокнистые наполнители.

Стеклянные волокна. Основными компонентами химического состава стеклянных волокон являются взаимно растворимые оксиды кремния, магния, алюминия, титана, кальция, натрия и т. п. Непрерывные стеклянные волокна получают из расплавленной стекломассы вытягиванием струи через небольшие отверстия (фильеры) со скоростью до 20 м/с. Диаметр вытянутых элементарных волокон составляет 7...12 мкм. Некоторое число этих волокон объединяется в первичную нить с одновре­менным нанесением замасливателя, который облегчает дальнейшую переработку волокна и защищает его от истирания и воздействия влаги. Первичные нити наматываются на бобины и используются непосредственно при получении КМ или для получения тканей, лент, рубленых воло­кон. Перед формированием изделий из стеклопластика замасливатели стекловолокон обычно удаляют химическим или термическим путем.

Прочность стеклянных волокон существенно зависит от температу­ры и их использование в композиционных материалах ограничивается температурой порядка 550...700 К.

Модуль упругости волокон с повышением температуры уменьшается незначительно, вплоть до температуры размягчения.

Стеклянные волокна при изготовлении изделий из КМ используются в виде первичных нитей, ровингов (некрученый жгут), крученых ни­тей и тканей на их основе. В процессе переработки стеклянных во­локон заметно снижаются прочностные характеристики изделий. В частности, некрученые нити и жгуты позволяют реализовать в готовых изделиях до 75% прочности элементарных волокон, крученые - до 60%, а в тканях этот показатель еще ниже.

Органические волокна. Высокопрочные и высокомодульные органические волокна были получены в начале 70-х годов на основе ароматических полиамидов. Это волокна типа СВМ в СССР и "РКВ-49 (Кевлар) в США. К этой группе относятся н термостойкие (Т_рав = 573...1673К) волокна типа «терлон». При указанной, рабочей температуре эти волокна сохраняют до 50% начальной прочности.

В зависимости от состава полимера и метода формования получают органические волокна, имеющие плотность 1410...1450 кг/м³, проч­ность при растяжении 1,8...3,5 Гпа, модуль упругости 70...140 ГПа.

Органическое волокно термостабильно вплоть до температуры 453К. Оно сохраняет свои высокие механические характеристики при криогенных температурах. Однако при 573 К прочность органопластиков падает на 50%.

Углеродные волокна. В качестве исходного сырья для получения углеродных волокон используют высокопрочное гидратцеллюлозное во­локно (ГЦ-волокно) или полиакрилонитрильное волокно (ПАН-волокно). Основными стадиями технологического процесса получения углеродных волокон (на основе органических) являются пиролиз при 500...650К, карбонизация при 1200...1700К и графитизация при температурах от 1200...1800 до 2900...3100К. В последние годы для производства углеродных волокон начинают использовать более дешевые и доступные виды сырья - нефтяной пек, лигнин, фенольные смолы. Основными пре­имуществами углеродных волокон являются: исключительно высокая термостойкость, сравнительно низкая плотность высокая прочность н жесткость, почти нулевой коэффициент линейного расширения, высокая химическая стойкость.

В зависимости от условий получения и типа исходного сырья прочность и модуль упругости углеродных волокон находятся соответственно в пределах 1...3,5 и 195...700 ГПа.

Механические характеристики углеродных волокон сохраняются не­изменными при повышении температуры до 723 К.

Металлические армирующие наполнители.

Борные волокна. Основным промышленным способом производства борного волокна является газофазное осаждение поликристаллического бора из смеси треххлористого бора и водорода. На разогретую до тем­пературы 1373 К вольфрамовую подложку - проволоку диаметром 12...16 мкм. При таком процессе вокруг подложки формируется борная обо­лочка, частично прореагировавшая с материалом подложки.

Промышленностью выпускаются борные волокна диаметром 100...200 мкм, имеющие предел прочности при растяжении

2...4 ГПа, модуль упругости 370...430 ГПа, плотность 2500... 2700 кг/м³. Освоен выпуск однонаправленных лент шириной до 76 мм и тканей шириной 1,5 м.

Борные волокна хорошо совмещаются с полимерной и металлической матрицами. Они легко пропитываются связующими и, уплотняясь в процессе формования, обеспечивают высокое (до 70 % по объему) содержание армирующего компонента в композиционном материале.

К недостаткам борных волокон следует отнести сложность их переработки, невозможность выполнить укладку волокон на малых радиусах изгиба, а также резкое падение механических характеристик при температурах выше 673К в результате окисления 6ора. Армирование КМ высокопрочных и комплекс их физико-механических характеристик: повысить предел прочности, предел текучести, модуль упругости, расширить температурный интервал эксплуатации и т.п. В качестве армирующих волокон помимо металлических и борных наиболее широко используют керамические волокна карбида кремния. Также применяются волокна оксида алюминия и двуоксида циркония. Для армирования КМ применяют металлические волокна из бериллия, вольфрама, титана и стали. Перспективно использование в качестве наполнителя различных нитевидных кристаллов.