12. Композиційні матеріали на основі полімерної матриці, армованої волокнистими наповнювачами

12.1. Склопластики

Склопластики − армовані скловолокнами композити на основі термореактивних і термопластичних зв’язувальних − є конструкційними матеріалами, що набули широкого використання в інженерній практиці. Параметри компонентів і процесів одержання композита визначають різні властивості й експлуатаційні характеристики готового матеріалу.

Промисловість випускає скловолокно двох основних видів: безперервну нитку і штапельне (різане) волокно. Вихідним технологічним процесом для одержання всіх видів скловолокон є процес витяжки ниток з розплаву. Промисловість скловолокон прийняла кілька стандартів на товщину моноволокон − від: 3,8 до 13,0 мкм.

Скло є аморфним матеріалом, що займає по своїх фізико-механічних властивостях проміжне положення між твердим тілом і рідиною. З однієї сторони воно не має кристалічної структури твердого тіла, з іншої − не має текучості, що проявляється в рідинах. За хімічним складом стекла мають кремнеземну основу у вигляді полімерних ланцюжків SiО_2. Однак діоксид кремнію, тобто кварц, потребує високих температур для розм’якшення й витягування. Тому його необхідно модифікувати для зниження температури розм'якшення до в’язкості, що дозволяє проводити витяжку ниток, наприклад шляхом компонування хімічного складу.

Високолужні композиції − вапняно-натрієві стекла, відомі під маркою А-стекол, використовуються для одержання волокон, що мають високу хімічну стійкість. Але через високий вміст лугу ці стекла мають невисокі діелектричні властивості.

Гарні електроізоляційні властивості притаманні стеклам на основі низьколужних композицій − алюмоборосилікати, що одержали найменування Е-стекол. У цей час із цих стекол виготовляють більшість асортименту текстильних скловолокон.

Коли потрібна особливо висока хімічна стійкість, може бути використане волокно із С-скла (нітроборосилікатного).

Для створення волокон з високими міцнісними характеристиками, наприклад, для матеріалів несучих конструкцій у літако- і ракетобудуванні, використовують S-стекла (магнийалюмосилікатні).

Скловолокна мають дуже високу границю міцності при розтягу, що перевищує міцність інших текстильних волокон. Питома міцність волокон − відношення міцності при розтягу до густини) перевищує аналогічну характеристику сталевого дроту. Скловолокна не горять і не підтримують горіння. Висока температура плавлення скловолокон дозволяє використати їх при високих температурах. Скловолокна не реагують з більшістю хімікатів і не руйнуються під їхнім впливом. Вони стійкі до грибків і бактерій, не сорбують вологу і не руйнуються під її впливом, зберігають свої високі міцнісні властивості в середовищі з підвищеною вологістю. Скловолокна мають низький коефіцієнт лінійного розширення і великий коефіцієнт теплопровідності, що дозволяє експлуатувати їх при підвищених температурах. Вони мають високі діелектричні властивості.

Армовані композити, у яких скловолоконні пасма викладені паралельно, мають максимальну механічну міцність уздовж волокон. Таке армування використовується при одержанні матеріалів методом пултрузії й при деяких видах намотки.

Одним з розповсюджених видів армування є прямокутне (перпендикулярне) посилення, тобто створення структури, у якій одна половина пасом лежить перпендикулярно інший. Максимальна міцність такого композита буде уздовж їхніх осей орієнтації, але менша, ніж у випадку односпрямованого уздовж осі армування.

Поворот по черзі шарів з односпрямованим армуючим компонентом відносно переважних повздовжнього і поперечного напрямків на ±45° приводить до подальшого зменшення міцності композита в порівнянні з односпрямованими зразками. Але при цьому підвищується міцність СВКМ у напрямках ±45°. Так звані збалансовані тканини з однаковим розподілом пряжі по основі й утоку мають порівнянні, але не обов’язково однакові властивості в напрямку основи й утоку. Тканини з щільною, міцною основою й рідким утоком, що забезпечує тільки формування тканини, дають сталі результати, як при односпрямованих матеріалах. Такі композити мають максимальну міцність у напрямку орієнтації максимальної кількості орієнтованої пряжі. Склопластики, що не мають переважного напрямку армування (наприклад, СВКМ, армовані різаними волокнами), мають приблизно однакові механічні властивості у всіх напрямках (ізотропія механічних властивостей). Отримані в такий спосіб композити мають порівняно низькі механічні характеристики.

Високотемпературотривкі кремнеземні, алюмокремнеземні, алюмосилікатні і кварцові наповнювачі можуть використовуватися разом з більшістю зв’язувальних. Вони легко піддаються просоченню на будь-якому традиційному обладнанні як по вертикальній, так і горизонтальній схемі.

Попередньо просочені тканини із цих матеріалів легко ріжуться (як по основних напрямках, так і навскіс) при намотуванні стрічкою або ручному викладенні. Легкі тканини з великою гнучкістю зазвичай використовуються на ділянках деталі зі складними профілями. Виготовлення деталей може проводитися також різаними квадратами або литтям компаунда зі здрібнених тканин або різаних волокон.

Високотемпературотривкі скловолокна звичайно використовують без обробки й без нанесення додаткових зв’язувальних. Кварцові тканини піддаються в основному хімічній обробці для поліпшення сумісності з використовуваними зв’язувальними. Такі обробки поліпшують фізичні властивості пластиків і зменшують вологопоглинання. Для підвищення сумісності з фенольними, епоксидними, поліефірними й іншими зв’язувальними використовуються стандартні промислові обробки.