СТЕКЛОПЛАСТИКИ

1. Типы стеклопластиков и их классификация

Стеклопластики представляют собой композиционные конструкционные материалы, сочетающие высокую прочность с относительно небольшой плотностью.

Основными компонентами стеклопластиков являются стекловолокнистые армирующие материалы и синтетические связующие. Тонкие высокопрочные стеклянные волокна обеспечивают прочность и жесткость стеклопластика. Связующее придает материалу монолитность, способствует эффективному использованию механических свойств стеклянного волокна и равномерному распределению усилий между волокнами, защищает волокно от химических, атмосферных и других внешних воздействий, а также само воспринимает часть усилий, развивающихся в материале при работе под нагрузкой. Кроме того, связующее придает материалу способность формоваться в изделия различной конфигурации и размеров.

Стеклопластики обычно классифицируют по назначению, виду связующего, типу армирующего материала и его ориентации.

По назначению стеклопластики делят:

• высокопрочные

• коррозионностойкие

• электроизоляционные

• теплозащитные и др.

По виду связующего различают:

• полиэфирные

• эоксидные

• фенолоформальдегидные

• полиимидные

• кремнийорганические

• на основе модифицированных связующих (эпоксифенольные, эпоксиполиэфирные, фенолофурфурольные и др.).

Несколько особняком стоит класс стеклонаполненных термопластов (полиамидов, полипропилена и др.).

В зависимости от ориентации волокон стеклопластики принято делить на две принципиально отличные группы - хаотически армированные и ориентированные. Внутри этих групп стеклопластики, делятся на классы, различающиеся типом арматуры и ее ориентацией в материале:

	Тип армирующего материала	Классы стеклопластиков
Ориентированные стеклопластики	Нить, ровинг	Однонаправленный ортогонально-армированный; со сложной схемой армирования
	Ткань; нетканый ориентированный клееный или вязально-прошивной материал	Стеклотекстолит
Хаотически армированные стеклопластики	Рубленая нить	На основе премиксов; препрегов, стекломатов
	Непрерывная нить	На основе матов типа ХЖКН; пресс-материалов типа АГ-4В

Иногда стеклопластики классифицируют и по способу получения. Различают стеклопластики, изготовленные контактным формованием, прессованием, протяжкой или намоткой. Контактным формованием и прессованием можно изготавливать и ориентированные, и хаотически армированные материалы. Намоткой и протяжкой обычно изготавливают только ориентированные стеклопластики.

Особенности стеклопластиков

Стеклопластики обладают рядом преимуществ перед различными конструкционными материалами: высокой удельной, статической и ударной прочностью в сочетании со светопропусканием (почти не уступающим пропусканию оконного стекла), радиопрозрачностью (способностью почти полностью пропускать волны сантиметрового диапазона), очень высокими электроизоляционными характеристиками; немагнитностью, коррозионной стойкостью.

Специфические свойства стеклопластиков определяются свойствами компонентов, их содержанием в материале, направлением армирования, взаимным расположением различных слоев и т.д. Возможность конструирования материала с заданными характеристиками - одно из основных преимуществ стеклопластиков. В табл. 2 приведены стандартные характеристики наиболее распространенных конструкционных материалов, а также усредненные стандартные характеристики ориентированных и хаотически армированных стеклопластиков.

Таблица 2 – Свойства конструкционных материалов

Материал	Плотность, кг/м3	Разрушающее напряжение при растяжении, МПа, не менее	Модуль упругости при растяжении, ГПа	Удельная прочность, км	Удельная жесткость, км	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м•К)	Термический коэффициент линейного расширения 107, К-1	Удельное объемное электрическое сопротивление. Ом см
Металлы
Сталь Ст. 3	7800	400	200	5,10	2560	65	1,3	Проводники
Алюминиевый сплав Д-16	2800	300	72	10,7	2580	150	2,2
Титан	4500	350	115	17,8	2560	—	—	—
Древесина
Сосна	550	100	10	13,8 *	1540	0,35	0,6	—
Дуб	720	130	15	15,2	1750	0,5	1,0	—
Пластмассы
Полиэтилен	960	20	0,5	2,1	52	0,3	10	1•1018
Винипласт	1400	60	3	4,3	210	0,1	6,5	1•1014
Пресс-порошок фенольный	1300	45	8	3,5	610	0,2	10	1•1011
Стеклопластики
Однонаправленный	2000	1600	56	80,0	2800	0,4	1	5•1015
Стеклотекстолит	1900	500	30	26,2	1570	0,3	1,5	1•1013
Хаотически армированный	1400	100	8	6,7	530	0,25	2,5	1•1011

Данные в таблице 2 наглядно демонстрирует преимущества стеклопластиков. Масса 1 м² стали толщиной 1 мм составляет 7,8 кг, а стеклотекстолита - 1,7 кг. Удельная прочность у однонаправленного стеклопластика значительно выше, чем у остальных материалов. По удельной жесткости, показывающей способность материала сопротивляться изгибу под действием собственной массы, стеклопластики не уступают другим конструкционным материалам. Низкий коэффициент теплопроводности и высокие электроизоляционные характеристики позволяют использовать стеклопластики в таких областях, где другие конструкционные материалы неработоспособны.

Недостатки стеклопластиков

1. Структурная неоднородность и недостаточная стабильность технологии изготовления, приводят к значительному рассеянию механических, электрических других показателей стеклопластиков, которое достигает 15—20%. Поэтому при определении работоспособности стеклопластиков в тех или иных условиях нельзя пользоваться средними значениями соответствующих характеристик. Нужно определять доверительные интервалы значений, задаваясь определенным уровнем обеспеченности.

2. Полимерная природа связующих обусловливает повышенную чувствительность стеклопластиков к предыстории изготовления и к температурно-временному режиму последующей эксплуатации, который определяет прочностные и деформативные свойства. Так, модуль упругости и особенно прочность стеклопластиков повышаются при увеличении скорости деформирования. Длительная прочность стеклопластика (время испытаний - 10000 ч) в зависимости от направления действия нагрузки относительно главных осей симметрии составляет 25 - 70% от значения разрушающего напряжения при кратковременных статических испытаниях.

3. Направленное размещение стеклянных волокон в плоскости армирования и слоистость структуры в направлении, перпендикулярном этой плоскости, вызывают анизотропию механических, теплофизических и других свойств, вследствие чего значения определяемых характеристик зависят от направления их определения. Так, прочность однонаправленного стеклопластика при растяжении в направлении армирования на порядок выше прочности в перпендикулярном направлении. Например, для ориентированных стеклопластиков диаграмма растяжения в направлении армирования с большой точностью следует закону Гука. При нагружении под углом к направлению армирования эта диаграмма становится нелинейной. Слоистость структуры большинства стеклопластиков предопределила их слабое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному отрыву. Поэтому в ряде случаев, например, при изгибе, стеклопластик может разрушиться не оттого, что нормальные напряжения (растягивающие или сжимающие) достигнут предельных для данного материала значений, а вследствие того, что касательные напряжения превзойдут сопротивление материала межслойному сдвигу. Там, где необходимо повышенное сопротивление стеклопластиков межслойному сдвигу и поперечному отрыву, применяют пространственно сшитые, так называемые «многослойные» армирующие материалы.

4. Деформации, возникающие перпендикулярно армирующим волокнам, реализуются в основном в прослойках связующего из-за малой жесткости последнего по сравнению с жесткостью стеклянных волокон, что приводит к образованию трещин в прослойках связующего между волокнами или на границах раздела фаз, даже на ранней стадии нагружения, когда средние напряжения в материале существенно ниже разрушающих. Низкая трещиностойкость характерна для стеклопластиков, особенно ориентированных. Трещины сказываются на герметичности, сопротивлении действию агрессивных сред, механических и электротехнических свойствах.

5. Относительно низкий модуль упругости стеклопластиков приводит к тому, что несущая способность тонкостенных конструкций лимитируется не прочностью, а деформативностью и устойчивостью. Для более полного использования высоких прочностных характеристик стеклопластиков в ряде случаев целесообразно изделия делать трехслойными или ставить ребра жесткости. При возможности следует конструировать изделия таким образом, чтобы стеклопластик работал не на сжатие, а на растяжение. Следует отметить, что иногда невысокий модуль упругости является преимуществом стеклопластика. Например, трубопроводы из этого материала могут выполняться без компенсаторов температурных деформаций. Листы из стеклопластика легко огибают криволинейные поверхности небольшого радиуса.