1.2.3.3.2. Углепластики.

Термореактивные углепластики (УП,КМУ – композиционные материалы углеродные) – полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, имидных) связующих и волокнистых углеродных высокопрочных, высокомодульных наполнителей (нити, ленты, и др.), важнейшие конструкционные материалы с высокими упруго-прочностными свойствами, удельными характеристиками, с высокой статической и динамической выносливостью, длительной прочностью, наибольшей среди ВПКМ усталостной прочностью.

Большой ассортимент углеродных наполнителей и связующих позволяет эффективно конструировать свойства углепластиков. Модуль упругости Е⁺ углеволокнитов с нитями Celion С-6000 составляет 138 ГПа (плотность 1,77 г/см ), с ЭЛУР-0,08, ЛУ-П-120-170ГПа, с некручеными жгутами УКН-П-5000-120-140 ГПа.

Эпоксидные однонаправленные прессованные углеволокниты с ЭЛУР-0,08 имеют σ⁺ 700-900 МПа (до 1000-1100 МПа), σ^- 600-900 (до 1000)МПа, τ_сд 45-64 МПа; с УКН-П-5000 σ⁺ 1400-1500 МПа (до 2000-2500МПа), σ_ви 1650-2200 МПа (до 2500-3000 МПа), τ_сд 57-70 МПа (после ЭХО), со связующим УП-2217 τ_сд 63-65 МПа.

Е⁺ углепластиков близок к Е⁺ стали, удельная прочность однонаправленных прессованных углеволокнитов в 1,4-4 раза выше σ⁺/ρ стали.

По комплексу конструкционных свойств УП существенно превосходят традиционные стали, алюминиевые и титановые сплавы, обладая повышенными удельной прочностью и жесткостью, высокой усталостной и длительной прочностью, возможностью регулирования анизотропии свойств, широким комплексом тепло- и электрофизических характеристик, многофункциональностью применения. Благодаря такому комплексу свойств углепластики позволяют создавать изделия, наиболее полно отвергающие самым жестким требованиям, предъявляемым к высоконагруженным конструкциям. Среди термореактивных связующих в углепластиках (композиционные материалы углеродные, КМУ, ФГУП “ВИАМ”) в России наибольшее применение находят эпоксидные (особенно на основе тетрафункциональных олигомеров типа ЭДХ, 2526, 2561, аналоги зарубежных связующих MY 720, 5208), эпоксифенольные (УНДФ-4А в КМУ-9; эпоксиноволачное связующее ЭНФБ в КМУ – 4; 5-211Б, -211БН в КМУ-3), отверждаемые ангидридами и аминами, связующие типа ЭДТ (ЭДТ-10, отверждение триэтаноламинтитанатом; ЭДТ-69Н, в КМУ-11, отверждение «латентным» отвердителем N9 на основе дифенилметана; ЭДТ-69М в КМУ-13Л, полиматричные связующие на основе диановых и эпокситрифенольных олигомеров, отвердитель N9). Для повышения огнестойкости материалов и перевода их в категорию самозатухающих в состав связующих 5-211-БН, ЭДТ-69Н, ЭДТ-69М введены бромсодержащие (до 45% масс, брома) олигомеры (смола УП-631). Для ремонта изделий из КМУ и гибридных ВПКМ используют пленочные связующие ВК-36, ВК-41 (эластифицированы соответственно олигосульфоном ПСК-1 и «жидкими» каучуками СКБ, СКН в КМУ-6). Связующее ВС-2561 обеспечивает переработку КМУ-13 в изделия пултрузией, ЭДТ-69- намоткой. Для получения термоустойчивых углепластиков используют термореактивные связующие на основе малеинимидов и смесей имидообразующих мономеров (PMR, АПИ, СП-97).

Малеинимидные связующие (особенно, 2-го и 3-го поколений, см. таблицу 12) во многом лишены недостатков эпоксидных связующих, а переработку малеинимидных материалов в изделия практически проводят на оборудовании и по технологическим режимам, традиционными для материалов на основе эпоксифенольных связующих.

Сложнее перерабатывать в изделия материалы на основе полиимидных связующих СП, PMR, АПИ, но они обеспечивают углепластикам конструкционные свойства на уровне свойств углепластиков на основе эпоксифенольных связующих при 20°С и работоспособность при 300-350°С до 2000 часов на воздухе.

Разработка термопластичных полиариленов (полисульфоны, полифениленсульфиды, ПЭЭК, жидкокристаллические полиэфиры), полигетероариленов(полиимиды, полиэфиримиды, ПЭИ, полиамидимиды, ПАИ), более благоприятное соотношение их упругопрочностных свойств и свойств высокопрочных высокомодульных волокон по сравнению с плохой реализацией условий монолитности в ПКМ при исползовании матриц на основе термореактивных сетчатых эпоксидных и полиимидных полимеров, стимулировала создание термопластичных углеволокнитов с требуемой анизотропией свойств для получения теплостойких конструкционных материалов с использованием прогрессивных методов плёночной и волоконной технологий (см. раздел 1.3.3).

Эффективные области использования углеволокнитов на основе различных связующих приведены на рис.22.

Верхний предел рабочей температуры ВПКМ с термореактивной матрицей соответствует температуре (Т_с, характерная для конкретного сетчатого полимера в составе отвержденной матрицы), при которой степень конверсии реакционно-активных групп олигомеров составляет 95-98%.

Нарушения в составе и соотношении компонентов связующего (например, в результате селективной адсорбции его компонентов поверхностью наполнителя), отклонения в режиме формования (отверждение связующего и материала, изменение скорости подъема температуры, прерывание, сокращение цикла отверждения, формования) приводит к уменьшению глубины отверждения связующего и уровня упруго-прочностных свойств материала. Так, прерывание процесса отверждения углепластиков с последующим продолжением процесса через 2-3 суток приводит к снижению σ^- на 15-20%.

Недоотверждение матрицы приводит к снижению водо-, влаго-, масло-, топливо стойкости, химической стойкости. Коэффициенты диффузии эпоксифенольных углепластиков, отвержденных при 120 и 150°С, отличаются в 2 раза (соответственно, 3∙10^-9 и 2,02∙10^-9 см²/с).

Рис. 22. Эффективные области использования углеволокнитов (волокна IM7) на основе:

1,2) малеинимидов 1-го поколения ( отверждение аминами);

3) малеинимидов 2-го поколения (отверждение винильными соединениями , тип 5350-3); 4) малеинимидов 3-го поколения (тип Х5360);

5) теплостойких термопластов (ПЭЭК,ПСН,ПФС,ПЭИ);

6) эластифицированных эпоксидных связующих;

σ^- - прочность при сжатии после ударной нагрузки с энергией 6,6кДж/м;

Т - рабочая температура (температурный индекс FTI) во влажной среде.

Снижение степени отверждения матрицы вызывает снижение упругости материала и повышение внутреннего трения, что при усталостном нагружении может привести к изменению характера разрушения ВПКМ (от механического к тепловому).

Так как произведение значения модуля сдвига G на логарифмический декремент затухания колебаний θ величина постоянная, то с уменьшением значения G растёт тепловыделение из материала от внутреннего трения, и при определённых условиях (частота и уровень нагружения, толщина изделия, наличие охлаждения), начинается интенсивный саморазогрев ВПКМ вплоть до деструкции матричного полимера.

Полимерная матрица во многом определяет технологические свойства углепластиков и отвечает за сохранение требуемого комплекса эксплуатационных свойств.

Сложность состава и структуры углепластиков, многообразие форм армирующих наполнителей, различные технологии изготовления препрегов и формования изделий - все эти факторы оказывают влияние на свойства, прежде всего, конструкционные, углепластиков, углеволокнитов.

Особенности этих материалов, проявляются на этапах

изготовления жгутовых и тканевых препрегов, подготовки их к сборке пакетов (раскрой), сборки пакетов (выкладка), формования изделий, механической обработки, при хранении и транспортировке.

Оптимизированные составы углепластиков перерабатываются в изделия всеми традиционными для ВПКМ технологическими способами (уровень прикладываемых давлений при уплотнении полуфабрикатов и формировании изделий учитывает малые значения деформаций углеродных наполнителей, особенно, высокомодульных).

Углепластики - типичные композиционные материалы и их свойства определяются составом, типом полимерной матрицы, видом и текстурой наполнителя, их взаимодействием на стадиях получения полуфабрикатов, формирования и формования материала и изделий из него, уровнем и соотношением упругих, прочностных, деформационных характеристик входящих в состав материала компонентов.

Отклонение состава углепластика от оптимального в зависимости от вида деформирования (растяжение, сжатие, сдвиг), характера напряженного состояния (одноосное, плоское, объемное), длительности и цикличности нагружения приводит к значительным изменениям характеристик статической и усталостной прочности упругости, эксплуатационной надёжности.

Конструкционные свойства углепластиков при статическом нагружении.

Прочность при растяжении σ⁺ однонаправленных углеволокнитов в направлении укладки волокон определяется правилом аддитивности.

Для хрупких углеродных волокон при расчётах необходимо учитывать дисперсию прочности (определяется статистически распределёнными дефектами). Оптимальный объём волокон в однонаправленном углеволокните, нагружаемом в направлении волокон, составляет V_в=0,64-0,68.

Прочность при поперечном растяжении σ_┴⁺ однонаправленных углеволокнитов на основе высокомодульных волокон (модуль упругости ≥400 ГПа) возрастает после обработки поверхности волокон примерно от 15 до 30 МПа (предельное удлинение равно 0,35 - 0,40 %)). Для волокон с модулем 250 ГПа прочность углеволокнита соответственно возрастает примерно с 20 до 60 МПа (предельное удлинение равно 0,5- 0,6%). Это увеличение вызвано теми же причинами, что и повышение сдвиговой прочности.

Прочность ВПКМ зависит от величины остаточных микронапряжений,

вызванных усадкой матрицы (связующего) при охлаждении после отверждения. При

высоких степенях армирования остаточные напряжения в тонких межволоконных

прослойках являются сжимающими, а в остальном объёме матрицы - растягивающими.

По этой причине распределение растягивающих напряжений на поверхности волокон

является неоднородным. Поперечное разрушение в значительной степени

могут усилить поры и концентрация напряжения вблизи волокон. Однако, ввиду очень

низких значений разрушающей деформации углеволокнита, которая в 6-10 раз ниже, чем

у отверждённых эпоксидных связующих, поперечное разрушение начинается на

поверхности раздела волокон и матрицы.

σ⁺_впнм,┴ = σ _м⁺,_┴ / К_┴, где К_┴ - коэффициент концентрации напряжений (функция Е_м,┴, Е_в,┴, при V_в>0,55 сильно возрастает)

Для предотвращения хрупкого разрушения УП при нагружении обеспечивается оптимальная, зависящая от прочности волокон, прочность их связи с матрицей.

По сравнению с другими ВПКМ термореактивные УП обладают меньшей ударной вязкостью, трещиностойкостью и остаточной прочностью при наличии дефектов, т.е. большей чувствительностью к концентрации напряжений. Значительное влияние на чувствительность УП к концентрации напряжений оказывает структура армирования и направление приложения нагрузки по отношению к ориентации волокон.

При растяжении под углами ± 45° к направлению армирования прочность УП очень мало зависит от размера концентратора. Мелкие дефекты, например, отверстия диаметром ≤4мм, почти не влияют на прочность УП квазиизотропной структуры, как при кратковременном, так и при длительном статическом и усталостном нагружении.

Прочность однонаправленных углеволокнитов при сжатии вдоль волокон σ _ll^- определяется правилом аддитивности σ _ll^- = σ_в^- ∙ V_в + σ_тм ∙ V_м, где σ_тм – предел текучести матрицы при V_в 60-64% об. Прочность при сжатии поперек волокон (трансверсальная) σ_┴^- = σ^-_м / К_┴ ≤ 1,5 – 1,8 при V_в 54-58% об. и зависимость σ_┴^- углеволокнитов от V_в имеет сложный характер.

Прочность и модуль упругости пластиков с однонаправленным расположением волокон в направлении армирования линейно возрастает с повышением прочности и модуля упругости волокна, особенно при использовании нитей и жгутов вместо лент:

Наполнитель в однонаправленном прессованном эпоксидном углепластике	Упругопрочностные свойства углепластиков, ГПа
	σви	σ+	σ-	τсд	Е+
ЭЛУР-0,08;ЛУ- 3,П (ленты шириной 250-260мм)	1,1-1,4	0,7- 0,9(предел 1,0-1,1)	0,6-0,9(до 1,0)	0,045- 0,065	до 140
УКН-П- 5000 (некручёный жгут)	1,65-2,2 (возможно 2,5-3,0)	1,4- 1,5 (возможно 2,0-2,5)	-	0,057-0,07	до 170

При наполнении углеродными волокнами в виде некрученых жгутов при параллельном их расположении в пластике оптимальная степень наполнения, как и в случае стекловолокнитов, равна 60 - 70% об. При однонаправленном расположении волокон в виде крученых жгутов оптимальная степень наполнения выше, чем при наполнении углеродной лентой (около 50% об.) Другим фактором, ограничивающим максимальное содержание высокомодульных волокон в композиционном материале, является плохая смачиваемость УВ связующим, ограничивающая верхний предел давления при формировании изделий различными способами.

Заметные искривления волокон, неизбежные в процессе формования изделий с однонаправленным расположением наполнителя, существенно снижают показатели упругих и прочностных свойств композиционного материала в направлении армирования и способствуют повышению остаточных напряжений в нем.

Прочность однонаправленных углеволокнитов при растяжении вдоль волокон и при сжатии превышают соответствующие характеристики металлических сплавов (рис.23).

Рис.23. Допустимые напряжения при растяжении и сжатии конструкционных материалов:

1-3) Эпоксидные углеволокниты однонаправленные (1), структуры [0°,50%; ±45°,50%] (2), структура [±45°] (3);

4) Литийалюминиевый сплав DTSXXA (2,3%-2,6% Li);

5) Сплав Al-Cu 2014-Т6 21;

6) Титановый сплав Ti-6A1-4V.

Прочность однонаправленных углеволокнитов при сдвиге, τ_сд являются наиболее критическим параметром, ограничивающим их использование в высоконагруженных конструкциях.

Практически все параметры деформируемого углепластика зависят от прочности сцепления наполнителя (волокон) с матрицей.

При ℓ> ℓ_крит осуществляется эффективное перераспределение напряжений

деформирования от матрицы к волокну, волокно не теряет контакт с матрицей и деформируется в соответствия со своими упруго — деформационными характеристиками до разрыва, обеспечивая упрочнение гетерофазного ПКМ.

В ВПКМ, где упрочняющие волокна строго ориентированы, поверхность раздела имеет направленный характер, и это используется при создании конструкций с заданными свойствами. Поскольку нагрузки при эксплуатации могут быть приложены лишь к внешней поверхности ВПКМ, компоненты, находящиеся внутри его, должны воспринимать свою долю приложенной нагрузки от окружающего их материала путем сдвига.

Повышение τ_сд достигается электрохимическим окислением поверхности углеродных волокон (метод “ЭХО”) за счет:

1. Удаление дефекта поверхностного слоя, части оболочки волокна (увеличение τ_сд на 30-40%);

2. взаимодействием кислотных кислородосодержащих групп на поверхности волокна с активными группами связующего, б) повышением шероховатости поверхности в результате преимущественного окисления торцов кристаллов, что приводит к увеличению удельной площади поверхности. Для углеродного волокна с модулем упругости 250 ГПа, имеющего сравнительно большую долю краев кристаллитов (20-30% общей поверхности), для повышения адгезии достаточно не очень сильной поверхностной обработки, способствующей повышению шероховатости. Увеличение шероховатости поверхности приводит к тому, что помимо чисто сдвиговых напряжений появляется также компонента растягивающих или сжимающих напряжений, если грани кристаллитов ориентированы под некоторым углом к оси волокна.

Прочность при сдвиге (при V_В,опт = 58-62% об.)определяется качеством межфазного слоя, соотношением KJITP волокон и матриц, геометрией углеволокнита, распределением полей напряжений (концентрация напряжений возрастает с ростом Vв и Gв/Gм). На величину τ_сд углепластика влияет также извитость волокон, поры и химическая природа связующего. Извитость волокон способствует увеличению сдвиговой прочности, поры приводит к её уменьшению. Содержание пор > 1,5% существенно сказывается на уровне и стабильности τ_сд углепластиков. При Vnop=3-4% прочность углепластика при межслойном сдвиге снижается в 2 раза.

Типичная величина сдвиговой прочности при короткобалочном изгибе составляет 55-70 МПа у углепластиков с высокомодульными (Е⁺ > 400ГПа) волокнами и 100-125 МПа у углепластиков с обработанными волокнами с модулем упругости порядка 250 ГПа. Для углепластиков с необработанными волокнами эти величины равны соответственно примерно 15 и 50 МПа.

Существенное влияние на свойства углепластиков оказывает различие в термических коэффициентах линейного (или объемного) расширения (сжатия) наполнителя и матрицы. Значение α_м и α_ув отличаются на десятичный порядок: α_м = (50-70)∙10^-6 1/град, α_ув = (0 - 5)∙10^-6 1/град вдоль оси. Существенна температурная зависимость α_м и α_ув и анизотропия теплофизических свойств волокон, подвергнутых ориентации. Вследствие этого на границе наполнитель - матрица сдвиговые тангенциальные напряжения могут привести к отслоению или растрескиванию матрицы.

Объемно- напряженное состояние в углепластиках создается в связи с различием

значений коэффициентов Пуассона волокон μ_в и матрицы μ_м. Наличие связи между компонентами в углепластике обуславливает появление в матрице и на границе раздела радиальных и тангенциальных напряжений. Величины окружных и касательных напряжений из-за суммирования остаточных термических и внешних напряжений могут стать соизмеримыми с прочностью матрицы и прочностью сцепления по границе раздела. Одними из условий монолитности (реально должно выполнятся несколько условий по соотношениям ε_м/ε_в≥3-5%, σ_м/σ_в ≥ 0,06, Е_в/Е_м≥ 0,060-0,064, τ_м≥τ_сц)является соотношение τ_сц / σ_в > 0,015 - 0,040.

Конструкционные свойства углеволокнитов при динамическом нагружении.

Усталостная прочность углеволокнитов является наибольшей среди ВПКМ.

Углепластики обладают достаточно высокой длительной прочностью и низкой ползучестью благодаря высокой жесткости и низкой деформативности углеродных волокон. Коэффициент длительного сопротивления эпоксидных углепластиков при 80-90° С и длительности нагружения τ = 500 - 1000 ч при растяжении и сжатии составляет 0,5 - 0,9 % от величины кратковременной прочности материала. Ползучесть углепластиков при длительном нагружении нагрузкой, составляющей (0,4 - 0,5) σ⁺ , как правило, не превышает 0,1 - 0,5 %.

При циклическом нагружении коэффициент усталостного сопротивления (величина предела выносливости) углеволокнитов для знакопеременного цикла составляет (0,3-0,5) σ⁺, для знакопостоянного (0,6-0,8) σ⁺, что в 2-3 раза выше предела выносливости стекловолокнитов. На величину этого предела влияет более высокий модуль УВ, благодаря чему напряжения в матрице углеволокнита не превышают ее усталостные характеристики, она сохраняет непрерывность и контакт с УВ.

Усталостная прочность σ_R углепластиков определяется усталостной прочностью матрицы и объемным содержанием волокон V_в: σ_R = K∙σ_м∙V_в∙Е_в / Е_м где K – коэффициент, определяющий реализацию усталостной прочности матрицы в ВПКМ при данном V_в­ с учетом пористости и напряженности матрицы. Оптимальный V_B зависит от коэффициента асимметрии цикла нагружения (при знакопостоянном цикле нагружения V_B 60-64% об.). До оптимального значения V_B σ_R монотонно

возрастает, а выше V_B, опт. σ_R резко снижается, особенно, при коэффициентах асимметрии цикла R = -1 и l<R<∞.

Демпфирующие свойства углеволокнитов определяются, в основном, рассеиванием энергии в матрице, сопровождающейся переходом механической энергии в тепловую, и существенно зависит от уровня нагружения, структуры армирования материала и рабочей температуры. Если однонаправленные углепластики имеют уровень демпфирующей способности вдоль волокон 0,5 - 1,0 %, то в диагонально-армированном углепластике она возрастает в 5-7 раз.

Демпфирующие свойства углеволокнитов определяются типом связующего и его содержанием в композиции. Вклад волокон в демпфирующие свойства композиции невелик, что объясняется их высокой жесткостью. При нормальных температурах механические потери ненаполненной полимерной матрицы превосходят потери углеволокнита в 1,5 - 3 раза. При повышенных температурах это различие возрастает.

Трещиностойкость углеволокнитов.

По сравнению с другими ВПКМ, углепластики обладают меньшей ударной вязкостью, трещиностойкостью и остаточной прочностью после ударных нагрузок при наличии дефектов, т.е. большей чувствительностью к концентрации напряжений. Значительное влияние на чувствительность углепластиков к концентрации напряжений оказывает структура армирования и направление приложения нагрузки по отношению к ориентации волокон. (см. далее о влиянии структуры ВПКМ на их статические и динамические свойства, гл.8).

Повышение τ_сд углепластиков повышает их прочность при продольном растяжении, модуль сдвига, прочность при сжатии, трещиностойкость. При росте τ_сд до 120 МПа при ε_ув > 1% повышаются значения энергетических параметров трещиностойкости G_Ic, G_IIc (поглощение энергии за счет деформации волокон).

С увеличением τ_сд меняется характер распространения трещин. Углеволокниты с волокнами Элур-П (поверхность активирована методом ЭХО) разрушаются в плоскости, перпендикулярной направлению армирования, многократно меняется направление роста трещин, вязкость разрушения повышается на 5-15%. Углеволокниты с неактивированными волокнами разрушаются как в плоскости, перпендикулярной ориентации волокон, так и путем расслаивания.

Водопоглощение углеволокнитов.

В ВПКМ существуют три независимых механизма адсорбции влаги: диффузия в связующее, поверхностная адсорбция на УВ и заполнение трещин и пустот. Адсорбция влаги - диффузионный процесс, зависящий от температуры и относительной влажности и подчиняющийся второму закону Фика.

Среди разнообразных видов воздействия наиболее опасным и отрицательно влияющим на структуру и свойства для всех ВПКМ является климатическое термовлажностное циклирование, чередующееся или сочетающееся с тепловыми или механическими нагрузками. В зависимости от типа углеволокнитов их предельное влагопоглощение различается в 1,5-2 раза и составляет для наиболее влагостойких материалов 1%. При совместном действии влаги и температуры на углеволокниты в них происходят структурные превращения в матрице и на границах раздела волокно - матрица, вызывающие ухудшение характеристик. Механизм изменения свойств, обусловленный сорбцией влаги, связан с двумя основными процессами: потерей прочности и жесткости вследствие пластификации матрицы водой в объеме и в межфазном слое и из-за микро- и макрорастрескивания матрицы.

От стекло- и органоволокнитов углеволокниты отличаются повышенной водостойкостью, атмосферостойкостью, малым водопоглощением. Влага в углепластиках сорбируется, в основном (углеродные волокна гидрофобны), связующим и границей раздела волокна - связующее. Уровень безопасного содержания влаги в УП составляет 0,6-0,7%; дальнейшее увеличение содержания влаги может привести к снижению упруго-прочностных характеристик УП на 15-20%.

Теплофизические свойства углеволокнитов определяются типом углеродных волокон (зависят от вида волокон, используемых для получения углеродных волокон, температур термообработки при получении УВ), типом матриц, структурой углеволокнита, объёмным содержанием компонентов, содержанием пор, температурой.

Термические коэффициенты расширения (сжатия) α углеволокнитов (табл.84) характеризуют изменение объёма материала как за счёт изменения температуры, так и за счёт термических напряжений, значение которых пропорциональны разности термических коэффициентов расширения (сжатия) компонентов углеволокнита.

Отличительной чертой УП является повышенная теплопроводность. Коэффициент теплопроводности УП даже в направлении, перпендикулярном плоскости армирования, в 1,5 раза превышает коэффициент теплопроводности стеклопластиков. Повышенная теплопроводность УП обуславливает снижение термических напряжений в изделиях, выполненных из них. Для различных УП они существенно не различаются и находятся в следующих диапазонах: для коэффициентов теплопроводности 0,5-1,0 Вт/м°С ; для коэффициентов термического расширения (-1,5÷0,5)∙10^-6 1/°С; для коэффициента теплоемкости 0,8-1,5 ккал/кг∙°С. Значения основных теплофизических характеристик, таких, как коэффициент теплопроводности λ и термический коэффициент линейного расширения (сжатия) α углеволокнитов, используя данные о теплофизических характеристиках компонентов, их соотношении и взаимном расположении волокон, позволяют провести теплотехнические расчёты изделий.

Низкий, а для высокомодульных углеродных волокон, отрицательный коэффициент λ способствует повышению стабильности размеров и формы изделий из углеволокнитов при изменениях температуры (например, конструкций авиакосмического назначения, длительно эксплуатируемых в условиях термоциклического нагружения).

Таблица.84. Зависимость коэффициентов термического расширения (сжатия) эпоксидных (связующее CY209) углеволокнитов от структуры углеволокнита и модуля упругости углеродных волокон.

Материалы	α∙10-6, K-1	E+, ГПа
1.Однонаправленный углеволокнит, 60% об., волокон 75S. α11 α┴ [±45]	-1,2 40 -0,5	300 3 11
2.Однонаправленный углеволокнит, 60% об., волокон Т300. α11 α┴ [±45]	0,23 29 2,55	132 9 16
3.Мягкая сталь	11	210
4.Инвар (63,1%Fe, 36,2%Ni, 0,4%Mn)	1,2	200

Примечание: материалы 3,4 – для сравнения.

Термонагруженность УП благодаря высоким значениям коэффициентов тепло- я температуропроводности низка и регулируется ориентацией волокон.

Регулирование λ углеволокнитов и текстолитов текстурой наполнителей, их содержанием и ориентаций используется при оптимизации телофизических свойств конструкционных и особенно, теплозащитных, абляционных углепластиков (оптимальное расположение волокон к направлению теплового потока).

Электрические свойства углеволокнитов.

По значениям электропроводности, диэлектрической проницаемости и tgδ углеволокниты существенно отличаются от стекловолокнитов . Удельное объемное электрическое сопротивление высокомодульного эпоксиуглеволокнита вдоль волокон составляет 0,0024-0,0034 Ом∙см и приближается к ρ_v блочного графита(0,00125 Ом∙см).

Электрофизические свойства углеволокнитов зависят от типа компонентов, их содержания, структуры материала, температуры:

Электрические свойства при 20°С	Структуре эпоксифенольного углеволокнита
	[0]	[0,90]
Удельное электрическое сопротивление, объемное, ρу, Ом∙см	180		65
Поверхностное электрическое сопротивление, ρs, Ом	910		300-500
Диэлектрическая проницаемость ε при 1010Гц	10		-
Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ при 1010Гц	0,01		-

Конструкционные углеволокниты благодаря высокой электропроводности углеродных волокон (электрическое сопротивление связующих понижают введением порошка графита, саж, тонкодисперсных металлических порошков) могут выполнять функции антистатических и радиопоглощающих материалов, применяться в качестве электропроводящих панелей радиационного отопления и антиобледенителей самолетов. Такая отопительная система, в которой конструкционный волокнит является одновременно тепловыделяющим материалом, экономична и ее можно полностью автоматизировать.

Электропроводность углеродного наполнителя способствует сокращению продолжительности формования толстостенных изделий из ВПКМ, обеспечивая равномерный и быстрый прогрев заготовки пропусканием электрического тока по наполнителю (технология “внутреннего” нагрева).

Другие свойства углеволокнитов.

Низкий коэффициент трения углеродных волокон обуславливает применение углепластиков в узлах трения. Коэффициент трения углеволокнитов составляет 0,25 - 0,35.

Скорость износа в условиях непрерывного скольжения при работе в паре со сталью может снижаться до 1,10^-3 - 0,5.10^-3 от первоначального значения. Этому способствует пониженная твердость углеволокнитов, приближающаяся к твердости ненаполненных отвержденных связующих (твердость по Бринеллю углеволокнитов 190-240МПа, связующих 220-260МПа, стекловолокнитов 380-400МПа)

Работе таких материалов, например, в высоконагруженных подшипниках, обладающих малой ползучестью, дисках самолетных тормозов благоприятствует высокая теплопроводность углеродного наполнителя.

Промышленные углепластики.

Промышленные углепластики (углеволокниты, углетекстолиты) разработаны на основе большого ассортимента углеродных волокнистых наполнителей и связующих для переработки в изделия различными технологическими приемами (прессование автоклавное, формование, пултрузия, намотка). В технологических процессах формирования и последующего формования изделий широко используются препреги. Свойства промышленных углепластиков зависят не только от типа углеродных наполнителей, их объемного содержания, структуры, типа связующих (табл.85, 86), но и технологии формования (табл.87, 88).

Совершенствование состава и структуры углепластиков позволяет повысить их σ⁺ до 2500 МПа, σ^- до 1600 МПа, Е⁺ до 200-250ГПа, усталостную прочность при симметричном цикле нагружения - до 700-800 МПа, G_Ic - до 1 кДж/м² и снизить массу деталей и агрегатов на 30-40%.

Углепластики занимают важное место среди конструкционных материалов благодаря высокому уровню прочностных и упругих свойств, высоким значениям длительной и усталостной прочности, малой ползучести, низкой плотности, высоким удельным характеристикам упругопрочностных свойств.

Оптимизация конструкционных свойств углепластиков достигается созданием гетероволокнистых и полиматричных ВПКМ (гибридных и супергибридных).

Таблица 85. Упруго-прочностные свойства однонаправленных прессованных углеволокнитов (Россия).

Состав и свойства КМУ	Тип КМУ(1)
	КМУ-4э	КМУ-7л	КМУ-9тр	КМУ-11э	КМУ-9	КМУ-13	КМУ-2	УП МАТИ
Тип наполнителя	ЭЛУР-П	ЛУ-24П	УТ-300-2,5	ЭЛУР-0,1П	УКН-5000П	УКН-5000П	ЛУ-П	ЭЛУР-0,1П
Тип связующего	ЭНФБ	ВС2526К	УНДФ-4АР	ЭДТ-69Н	УНДФ-4А	BL2561	СП-97	АПИ-3
V­в, % об.	54-59	55	55-59	55	60-62	60	55	60
ρ, г/см3	1,49-1,52	1,45-1,50	1,52-1,54	1,5	1,56-1,58	1,45-1,50	1,3	1,53
σ+11, МПа	900	970	60	1050	1500	1400	380	1200 (Gви)
σ+┴, МПа	32	-	60	-	32	-	-	-
σ-11, МПа	900	750	60	1000	1200	1100	320	-
σ-┴, МПа	130	-	58	-	140	-	-	-
τсд, МПа	78	75	52	76	85	65	25	56
Е+11, ГПа	120	215(Еви)	67	143	140	120	100(Еви)	135 (Еви)
Е+┴, ГПа	10	-	67	-	9	9	-	-
G12, ГПа	6,5	-	8	-	6,8	6.0	-	-
μ12	0,265	-	0,07	0,3	0,27	-	-	-

Примечания: 1) КМУ - разработка ФГУП ВИАМ

Таблица 86. Упругопрочностные свойства однонаправленных прессованных эпоксидных углеволокнитов на углеродных волокон различных фирм.

	Celanese Co(1).				Hercules Co(1).			Union Carbide
Свойства
	Celion 3000	Celion 6000	GY-50	GY-70	AS(2)	HTS	HMS(3)
								Thornel 300 (65% об.)(4)
ρв, г/см3	-	-	-	-	1,55	1,58	1,63	-
σII+, ГПа	1,9	1,647	0,88	0,63-0,78	1,58-1,86	1,2	0,74-1,14	1,56
σ┴+, ГПа	-	0,544	-	0,24	0,65	-	0,31	-
ЕII+, ГПа	155	151	211	289-324	141-145	162	204-207	138
Е┴+, ГПа	-	11,2	-	7,0	9,4	-	8,0	-
εII+, %	1,2	1,1	0,4	0,2	1,2	-	0,55	-
ε┴+, %	-	0,49	-	-	0,7	-	0,44	-
σ-, ГПа	-	1,468	-	0,62-0,7	-	-	-	-
Е-, ГПа	-	141	-	308	138	-	107	138
ε-, ГПа	-	1,7	-	-	-	-	0,42	-
σви, ГПа	1,9	1,75	1,02	0,79-0,83	1,79-1,9	-	0,96-0,98	—
Еви, ГПа	141	135	190	255-260	121-127	-	169-176	—
τсд, МПа	98-127	125	49-70	59-60	124-127	-	55-98	124

Примечания:

1. объемное содержание волокон - 62%, ρ^в - плотность волокон;

2. σ⁺ углепластиков, полученных пултрузией составляет 1,2 (эпоксидное связующее 826, тип ЭД 22-24) - 1,05 (эпоксидное связующее 5208) ГПа, вакуумным формированием 0,855-0,925 ГПа (60% волокон AS);

3. а_к по Изоду ~ 2∙10⁴ Дж/м²;

4. а_к по Изоду - 6∙10⁴ Дж/м²(60% об. Thornel 300).

Таблица 87. Зависимость упругопрочностных свойств эпоксидных углеволокнитов от технологических способов формования.

Характеристика	Метод формования	Протяжка (пултрузия)						Вакуумное формирование
	Углепластик	AS-826(1)				AS-5208(2)		AS-826(1)				AS-5208(2)
	Схема ориентации волокон, град.	0	90	±45	0±45	0	90	0	90	±45	0±45	0	90
Содержание волокон, %об.		59	59	59	59	59	59	60	60	60	60	60	60
σ+, МПа		1205	37	105	640	1060	20	855	17	540	710	925	10
Е+, ГПа		140	11	55	86	134	14	123	14	76	83	119	15
Относительное удлинение при разрыве, 10 -6мм/мм		8500	3700	8470	7400	7500	1740	7800	2200	7900	9100	8300	850
Коэффициент Пуассона, μ+		0,20	0,023	0,86	0,98	0,18	0,029	0,32	0,097	0,36	0,48	0,25	-
σ-, МПа		660	40	170	350	920	90	480	100	-	-	390	80
Е-, ГПа		141	10	59	77	130	13	119	8	-	-	90	10
Предельная деформация при сжатии, 10 -6мм/мм		4700	7400	5700	4500	6800	4400	3900	13700	-	-	4700	8200
Коэффициент Пуассона, μ-		0,15	0,023	0,58	0,36	0,17	0,46	0,48	0,011	-	-	0,46	0,0087

Примечания:

1) Углеродные волокна AS, 826 - эпоксидное связующее диановое;

2) 5208 - эпоксидное связующее тетрафункциональное.

Таблица 88. Свойства эпоксидных однонаправленных углеволокнитов в зависимости от способа формования.

Способ формования	σ +, ГПа	Е+, ГПа	τсд, МПа
Прессование	1,60	113	80
Автоклавный	1,52	112	94
Пултрузия(1)	1,55	110	80

Примечание: 1) скорость от 0,15-0,2 м/мин до 0,6-0,9 м/мин (производительность в 10-12 раз выше, чем при намотке), роллтрузия - скорость до 3 м/мин.

Оптимизация структуры армирования и состава углепластиков (в том числе, гетероволокнистых и полиматричных) позволяет расширить область эффективного их применения не только в качестве конструкционных, но и многофункциональных (радиационностойких, токопроводных, химически стойких, радиопоглощающих, триботехнических и т.д.).

Уникальный комплекс свойств ВПКМ, наполненных углеродными волокнами, стимулирует постоянное расширение производства (рис. 24) и потребления (рис. 25) углепластиков.

Рис.24. Объем мирового производства углепластиков (Kunststoffe, 2007, N4):

1 - Северная Америка, 2 - Европа, 3 - Япония, 4 - другие, 5 - общий объем производства.

Рис.25. Использование углепластиков в различных отраслях техники [Kunststoffe, 2007, N4]

1 - Северная Америка, 2 - Европа, 3 - Япония, 4 - Азия, 5 - промышленность, 6 - спорт,

7 - авиакосмические конструкции.