15

Ю. А. Михайлин Конструкционные полимерные Композиционные материалы.

Рассмотрены принципы создания конструкционных полимерных композиционных материалов, использующие в качестве наполнителей непрерывные волокна (ВПКМ), составы ВПКМ, механизмы перераспределения напряжений в ВПКМ, возможности регулирования структуры и свойств ВПКМ, тенденции развития ВПКМ.

Особое внимание уделено применению ВПКМ в конструкциях авиакосмической техники, экономическим вопросам изготовления и применения ВПКМ.

Обзор предназначен для студентов (бакалавров, магистров), материаловедов, технологов, конструкторов, исследователей, разрабатывающих, изучающих и применяющих ВПКМ, инженерно-техническим работникам предприятий и учреждений, использующих ВПКМ, может быть использован преподавателями факультетов повышения квалификации инженерного состава отраслевых производств.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение _________________________________________________________________4

1. Критерии оценки технологических и эксплуатационных свойств ПКМ __________5

1.1.Технологические свойства _____________________________________________5

1.2.Эксплуатационные свойства ___________________________________________6

2. ПКМ с непрерывными волокнами (ВПКМ) __________________________________11

3. Регулирование состава, структуры и свойств ВПКМ __________________________31

4. Применение ВПКМ в авиакосмической технике ______________________________68

5. Перспективные неметаллические материалы для авиакосмических конструкций _131

   1. Термопластичные ВПКМ ______________________________________________136

   2. Радиопоглощающие материалы и конструкции ___________________________142

   3. Интеллектуальные полимерные композиционные материалы (ИПКМ) _______156

   4. Углеродные и углеродкерамические КМ _________________________________157

6. Экономические проблемы применения ВПКМ _______________________________172

Литература________________________________________________________________192

Введение

Композиционные материалы (КМ) – гетерофазные материалы, состоящие из непрерывной фазы (связующее, матрица), которая воспринимает внешние нагрузки и перераспределяет их на другую (упрочняющую) фазу (наполнитель); между фазами в КМ организовано взаимодействие.

В авиакосмической промышленности требования к конструкционным и специальным материалам, наиболее полно отвечающим современным тактико-техническим требованиям, стимулировали разработку и широкое использование композиционных материалов (КМ), прежде всего, полимерных композиционных материалов (ПКМ), ПКМ с непрерывными волокнами (ВПКМ).

ВПКМ — гетерофазные композиции, структура которых при использовании современного расчетного аппарата, может быть оптимизирована по отношению к характеру внешних воздействий и сконструирована с требуемым уровнем анизотропии свойств. ВПКМ — материалы многофункционального назначения, которые в зависимости от свойств компонентов, могут сочетать конструкционные свойства с радиопрозрачностью, хим. стойкостью, радиационной стойкостью и экранирующей ионизирующее воздействие способностью, радиоэкранированием и радиопоглощением, используемым для уменьшения радиолокационной заметности, УРЗ, в технологии Stealth.

Комплекс свойств ПКМ определяется свойствами компонентов (матрица, наполнитель), их микро - и макроструктурой, границей раздела фаз, реакцией этих структур на внешние воздействия. ПКМ — гетерофазные материалы, в которых непрерывная матрица, взаимодействующая с наполнителем (межфазный слой – сердце ПКМ, площадь контакта матрица - наполнитель в объеме ПКМ в 1 мм³, со степенью наполнения 50% об. составляет 450-600 мм²) в 1 мм, воспринимает внешние нагрузки и перераспределяет их на наполнитель. Наиболее высоки конструкционные свойства у ПКМ, использующих непрерывные волокна (ВПКМ, однонаправленные, с планируемой анизотропией).

Сочетая в одном материале компоненты разной природы, формы, размеров, регулируя их содержание, можно получать неограниченное количество ПКМ и в очень широких пределах изменять их свойства. Границы изменения характеристик ПКМ в основном определяются верхними и нижними значениями свойств, характерными для основных классов материалов (металлы, керамики, полимеры), и агрегатным состоянием веществ (газообразное, жидкое, твердое). Основным преимуществом ПКМ является получение материалов, обладающих свойствами, заметно превышающими верхние и нижние границы свойств исходных компонентов (табл.1.).

Таблица 1. Свойства полимеров, ПКМ и диапазон изменения свойств при переходе от ПМ к ПКМ [1].

Характеристики	Полимеры, ПМ	ПКМ
Плотность, кг/м3. Прочность при растяжении, МПа. Модуль Юнга, ГПа. Относительное удлинение, %. Удельное объёмное электрическое сопротивление, Ом·м. Теплопроводность, Вт/м·К КЛТР, 1/0С. Коэффициент Пуассона.	800-1800 8-250 0,1-10 0,5-1000 108-1020 0,12-2,9 (2-30)·10-5 0,3-0,5	5-22000 0,1-4000 0,01-1000 0,1-1000 105-1020 0,02-400 104-5·10-5 0,1-0,5