Загальні відомості, склад і класифікація.
Тема. Композиційні матеріали з неметалевої матрицею.
Композиційні матеріали складаються з:
- матриці, яка пов'язує композицію, надаючи їй форму; - упрочнителя.
Композиційні матеріали з неметалевої матрицею знайшли широке застосування. Як неметалічних матриць використовують полімерні, вуглецеві та керамічні мате-ріали. З полімерних матриць найбільшого поширення набули: епоксидна, фенолоформальдегидная і поліімідного.
Вуглецеві матриці коксованого або піроуглеродних отримують син-тетических полімерів, підданих піролізу. Матриця зв'язок-кість композицію, надаючи їй форму.
Упрочнітелямі служать волокна: скляні, вуглецеві, борні, органічні, на основі ниткоподібних кристалів (оксидів, карбідів, борідок, нітридів та ін.), А також металеві (дроту), що володіє високою міцністю і жорсткістю.
Властивості композиційних матеріалів залежать від складу когось тами, їх поєднання, співвідношення і міцності зв'язку між ними. Армуючі матеріали можуть бути у вигляді волокон, джгутів, ниток, стрічок, багатошарових тканин.
По виду упрочнителя композиційні матеріали классифи-ціруют на стекловолокніти (вони розглянуті в гл. XXVII), карбоволокніти з вуглецевими волокнами, Бороволокніти і Органоволокніти.
У шаруватих матеріалах волокна, нитки, стрічки, просочені сполучний, укладаються паралельно один одному в площині укладання. Площинні шари збираються в пластини. Властивості виходять анізотропним. Для роботи матеріалу у виробі важливо враховувати напрямок діючих навантажень. Можна створювати матеріали як з ізотропним, так і з анізотропними властивостями. Можна укладати волокна під різними кутами, варіюючи властивості композиційних матеріалів. Від порядку укладання шарів по товщині пакета залежать ізгібние і крутильні жорсткості матеріалу.
Застосовується укладання упрочнителей з трьох, чотирьох і більше ниток (рис. 222). Найбільше застосування має структура з трьох взаємно перпендикулярних ниток. Упрочнітелі можуть рас-покладатися в осьовому, радіальному і окружному напрямках.
Тривимірні матеріали можуть бути будь-якої товщини у вигляді блоків, циліндрів. Об'ємні тканини збільшують міцність на відрив і опір зрушенню в порівнянні з шаруватими. Система з чотирьох ниток будується шляхом розташування упрочнителя по діагоналях куба. Структура з чотирьох ниток рівноважна, має підвищену жорсткість при зсуві в головних площинах. Однак створення четирехнаправленних матеріалів складніше, ніж трехнаправленних.
Карбоволокніти (углепласти) представляють собою композиції, що складаються з полімерного сполучного (матриці) і упрочнителей у вигляді вуглецевих волокон (карбовол вікон)
Висока енергія зв'язку С-С вуглецевих волокон дозволяє їм зберігати міцність при дуже високих температурах (в нейтральній і відновне середовище до2200 0 С), а так само при низьких температурах. Від окислення поверхні волокна оберігають захисними покриттями (піролетіческімі) На відміну від скляних волокон карбоволокна погано змочуються свя-зующей (низька поверхнева енергія), тому їх піддають травленню. При цьому збільшується ступінь активування вуглецевих волокон за змістом карбоксильної групи на їх поверхні. Міжшарова міцність при зсуві углепластиков збільшується в 1,6-2 * 5 рази. Застосовується віскерізація ниткоподібних кристалів Ti O 2. Al N, Si 3 N 4. що дає збільшення межслойной жорсткості 2 рази і міцності в 2,8 рази. Застосовуються просторово армовані структури.
Сполучними служать синтетичні полімери (полімерні карбоволокніти); синтетичні полімери, піддані піролізу (коксованого карбоволокніти); піролітіческйй вуглець (піроуглеродних карбоволокніти).
Епоксіфенольнимі карбоволокніти КМУ-1л, зміцнюється вуглецевої стрічкою, і КМУ-1У на джгуті, віскерізованном ниткоподібними кристалами, можуть тривалий час працювати при температурі до 200 0 С.
Карбоволокніти КМУ-3 і КМУ-Зл отримують на епоксіаніліноформальдегідном сполучному, їх можна експлуатувати при температурі до 100 ° С, вони найбільш технологічні. Карбово-локніти КМУ-2 і КМУ-2л на основі поліімідного сполучного можна застосовувати при температурі до 300 ° С.
Карбоволокніги відрізняються високим статичним і динамічним опором втоми (рис. 224), зберігають це свій-ство при нормальній і дуже низькій температурі (висока тепло-провідність волокна запобігає саморозігрів матеріал за рахунок внутрішнього тертя). Вони водо- і хімічно стійкі. Після впливу на повітрі рентгенівського випромінювання # 963; изг. E змінюються.
Теплопровідність углепластиков в 1,5-2 рази вище, ніж теплопровідність склопластиків.
[Карбостекловолокніти містять поряд з уголних скляні волокна, що здешевлює матеріал.
Карбоволокніти з вуглецевої матрицею. Коксованого матеріали отримують з звичайних полімерних карбоволкнітов, підданих піролізу в інертною або відновлювальної атмосфері.
При температурі 800-1500 ° С утворюються карбонизовані, при 2500-3000 ° С графітові карбоволокніти. Для отримання піроуглеродних матеріалів упрочнитель викладається за формою вироби і поміщається в піч, в яку пропускається газоподібний вуглеводень (метан). При певному режимі
Утворений при піролізі сполучного кокс має ви-сокую міцність зчеплення з вуглецевим волокном. У зв'язку з цим композиційний матеріал має високі механічні і абляціонним властивостями, стійкістю до тримаючи-ському удару.
Карбоволкніти з вуглецевої матрицею типу КУП - ВМ по зна-ченіям міцності і ударної в'язкості в 5-10 разів перевершує спеціальні графіти; при нагріванні в атмосфері інертного і вакуум-розумі він зберігає міцність до 2200 ° С на повітрі окислюється при 450 0 С і вимагає захисного покриття. Коефіцієнт тертя одного карбоволокнітах з вуглецевої матрицею по іншому високий (0,35-0,45), і знос малий (0,7-1 мкм на гальмування).
Полімерні карбоволокніти використовують в судо-і автомобілебудуванні (кузова гоночних машин, шасі, гребні гвинти); з них виготовляють підшипники, панелі опалення, спортивний інвентар, частини ЕОМ. Високомодульні карбоволокніти застосовують для виготовлення деталей авіаційної техніки, апаратури для хімічної промисловості, в рентгенівських обладнанні.
Карбоволокніти з вуглецевої матрицею замінюють різні типи графітів. Вони застосовуються для теплового захисту, дисків, авіаційних гальм, хімічно стійкою апаратури.
Бороволокніти є композиції з полімерного г пов'язує і упрочнителя -борних волокон. Бороволокніти відрізняються високою міцністю при стиску і зрізу, низькою ползучестью, високими твердістю і модулем пружності, теплопровідністю і електропровідністю. Ніздрювата мікроструктура борних волокон забезпечує високу міцність при зсуві награніце розділу з матрицею. 1
Крім безперервного борного волокна застосовують комплексниеборостеклоніти, в яких кілька паралельних борних волокон стеклонітей, що надає формоустбйчівость. Застосування боростеклонітей полегшує технологічний процес | виготовлення матеріалу. 'Ц
Як матриць для отримання • бороволокнітов використовують модифіковані епоксидне і поліамідні сполучні. Бороволокніти КМБ-1 і КМБ-1к призначені для тривалої роботи при температурі 200 ° С; КМБ-3 і КМБ-ЗК не вимагають високого тиску при переробці і можуть працювати при температурі не більше 100 ° С; КМБ-2к працездатний при 300 ° С.
Бороволокніти володіють високими опорами втоми, вони стійкі до дії радіації, води, органічних розчинників і паливно-мастильних матеріалів.
Оскільки борні волокна є напівпровідниками, то Бороволокніти мають підвищену теплопровідність і електропровідність.
Для боровлокнітов міцність при стисненні 2-2,5 рази більше, ніж для карбоволокнітах.
Органоволокніти представлявляют собою композиційні матеріали, що складаються з полімерного сполучного і упрочнителей (наповнювачів) а вигляді синтетичних волокон. Такі матеріали мають малою масою, порівняно високими питомою ін-ністю і жорсткістю, стабільні при дії знакозмінних навантажень і різкій зміні температури. Для синтетичних волокон втрати міцності при текстильної переробки невеликі; вони малочутливі до пошкоджень.
: У органоволокнітах значення модулі пружності і температур-них коефіцієнтів лінійного розширення зміцнені л я і сполучного близькі. Відбувається дифузія компонентів сполучного в волокно і хімічну взаємодію між ними. Структура матеріалу бездефектне. Пористість не перевищує 1-3% (в дру-гих матеріалах 10-20%). Звідси стабільність механічних властивостей Органоволокніти при різкому перепаді температур, дей-наслідком ударних і циклічних навантажень, Ударна в'язкість висо-кая (400-700 кДж / м 2). Недоліком цих матеріалів є порівняно низька міцність при стисненні і висока повзучість (особливо для еластичних волокон).
Органоволокніти стійкі в агресивних середовищах і у вологому тропічному кліматі; діелектричні властивості високі, а теплопровідність низька. Більшість Органоволокніти можуть довго працювати при температурі 100-150 ° С, а на основі поліімідного пов'язує і поліоксадіазольних волокон при 200-300 ° С.
У комбінованих матеріалах поряд з синтетичними волокнами застосовують мінеральні (скляні, карбоволокна, | бороволокна). Такі матеріали мають більшу міцність і твердість.
Органоволокніти застосовують в якості ізоляційного конструкційний матеріал в електрорадіопромишленності, авіаційній техніці, автобудуванні; з них виготовляють труби, їм-кістки для реактивів, покриття корпусів суден та ін.,