Композитные материалы: что это такое, свойства, производство и применение.

Полимерные композиты на основе химических волокон, их основные виды, свойства и применение

Применение волокнистых полимерных композиционных материалов (ВПКМ), получаемых на основе армирующих химических волокон и полимерных матриц - конструкционных, электроизоляционных, хемостойких и других, - весьма широко. Они используются в машиностроении, особенно транспортном, включая авиастроение, приборостроении, в электро- и радио-технике, электронике, строительстве, сельском хозяйстве, медицине, спорте, для изготовления изделий бытового назначения. Основу волокнистых композиционных материалов составляют армирующие волокнистые наполнители (АВН), объединенные в монолитный композиционный материал матрицей - вторым важным компонентом.

Все виды ПВКМ условно можно подразделить по различным признакам: по волокнистому составу АВН, по видам применяемых матриц, по назначению и др. Исторически ВПКМ производились на основе природных волокон (хлопка, древесных волокон) и асбеста с реактопластами в качестве матриц - это различного состава пресс-волокниты, гетинаксы, текстолиты и другие ставшие уже традиционными выпускные формы. Со временем к ним добавились ВПКМ на основе стекловолокон и несколько позже - на основе различных специально созданных армирующих химических волокон. В качестве матриц стали широко применяться также термопласты.

В настоящее время для армирования ВПКМ широко используются АВН из химических органических и неорганических волокон. Они входят в состав композита в виде коротких (резаных) волокон, нитей, лент, жгутов, тканей, нетканых материалов и войлоков и других волокнистых структур. В качестве матрицы применяются термопласты (полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, полисульфоны, фторопласты и др.) и реактопласты (фенопласты - фенолформальдегидные или фенольные; аминопласты - меламино- и мочевиноформальдегидные; эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические, полиимидные и др. полимерные связующие).

Волокнистые ПКМ имеют значительно меньшую плотность и более высокие удельные (на единицу массы) механические характеристики, менее теплоемки и теплопроводны, чем многие другие виды материалов. Большинство являются диэлектриками, обладают высокой эксплуатационной стойкостью при действии активных сред и других внешних воздействий.

ВПКМ на основе природных и стекловолокон достаточно полно отражены в литературе, в то время как композиты на основе химических волокон - в гораздо меньшей степени, особенно в отечественной литературе, издание которой за последние 20 лет почти прекратилось. Именно поэтому данная публикация ставит своей целью обобщение информации о современных видах ВПКМ на основе химических волокон и полимерных матриц.

Основные виды волокнистых ПКМ. Полимерные материалы конструкционного назначения по составу можно (несколько условно) подразделить на следующие основные группы: ненаполненные пластики (в основном термопласты); дисперсно-наполненные пластики (композиты); волокнистые полимерные композиты (ВКПМ) (армированные пластики); гибридные композиты, армированные нитями и волокнами различного вида; комбинированные композиты, включающие в свой состав одновременно волокнистый и дисперсный наполнители ().

В качестве ненаполненых пластиков используются в основном термопласты - полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, полисульфоны, фторопласты и в очень редких случаях реактопласты.

В дисперсно-наполненых пластиках используются органические и неорганические наполнители с частицами размером значительно меньше критического, включая короткие волокна, матрицами служат термо- и реактопласты 1 . Близкими к дисперсно-наполненым также могут считаться волокнистые композиты, в которых волокна имеют механические свойства более низкие, чем у матрицы, и не являются армирующими компонентами. В ряде случаев это позволяет придавать материалу другие специфические функциональные свойства, например, антифрикционные.

В состав ВПКМ входят АВН из волокон с размером выше критического и, как указывалось выше, полимерные матрицы - термопласты или реактопласты. Волокна армирующего наполнителя воспринимают механические напряжения, определяя основные механические свойства ВПКМ: прочность, деформативность, жесткость. Матрица (связующее), находящаяся в межволоконном пространстве, служит для распределения механических напряжений между волокнами, тоже частично воспринимает эти механические напряжения, и, что очень важно, определяет монолитность материала.

Кроме того, в состав композитов могут входить компоненты, придающие им другие специфические свойства: пигменты, антипирены и др.

Взаимосвязь свойств исходных компонентов ВПКМ и их взаимовлияние. Свойства волокнистых композитов существенно зависят от свойств, состава и взаимного расположения компонентов, особенностей их взаимодействия на межфазной границе, а в некоторых случаях диффузии компонентов матрицы в волокна. Таким образом, между волокнами и матрицей должно выдерживаться определенное соотношение свойств, и их выбор не может быть произвольным.

Выбор основных компонентов ВПКМ определяется необходимыми функциональными требованиями, эксплуатационной надежностью композитов, совместимостью компонентов, технологичностью переработки, доступностью и стоимостью. Эти требования предусматривают прежде всего определенное соотношение между механическими и термическими свойствами армирующих волокон и матрицы: модуль упругости при растяжении и сдвиге волокон должен быть больше чем матрицы и/или связующего Е B > E M ; G B > G M ; прочность волокон должна быть больше чем матрицы и/или связующего σ В * > σ М *; удлинение при разрыве волокон должно быть несколько меньше чем матрицы и/или связующего ε В * < ε М *; коэффициенты Пуассона для волокон и матрицы желательно иметь достаточно близкими, чтобы при деформации композита на границе волокно-матрица не возникало напряжений, отрывающих их друг от друга и тем самым снижающих адгезию; термические характеристики волокон (температуры плавления или разложения) должны быть выше температур переработки термопластов и отверждения реактопластов.

Механические свойства ВПКМ определяются как свойствами исходных компонентов (волокон и матрицы), так и расположением волокон, т. е. структурой волокнистого армирующего наполнителя (нитей, жгутов, лент, тканей, нетканых материалов, трикотажа, бумаги и др.). Длина и расположение волокон должны соответствовать возможности оптимизации механических характеристик ВПКМ.

Взаимодействие волокон с матрицей должно обеспечивать высокую реализацию механических свойств волокон в армированном материале и его монолитность. Для этого необходимы: хорошая смачиваемость волокон матрицей и/или связующим; высокая адгезия между волокном и матрицей, характеризуемая сдвиговой прочностью на границе раздела волокно-матрица; высокая адгезия должна долговременно сохраняться в условиях эксплуатации композита при активных внешних воздействиях, в том числе влаги; сохранение или минимальное изменение свойств волокон под влиянием компонентов матрицы; релаксация внутренних напряжений в элементарном объеме волокно-матрица при термообработке или под влиянием компонентов связующего и других факторов.

Другие физические, физико-химические и специальные функциональные свойства ВПКМ также определяются свойствами компонентов и их взаимодействием на границе раздела.

Основные виды армирующих химических волокон. Для получения волокнистых ПКМ применяются различные виды органических химических армирующих волокон, нитей и волокнистых материалов на их основе: технические нити - полиэфирные (лавсан), поливинилспиртовые и др.; параарамидные высокопрочные и высокомодульные волокна и нити (армос, русар, тварон, кевлар); метаарамидные термостойкие волокна (фенилон, номекс, конекс) для некоторых видов термостойких ВПКМ; полиоксадиазольные волокна и нити (арселон) для некоторых видов термостойких и фрикционных ВПКМ; волокна общего назначения (полиамидные, полиэфирные, вискозные и др.); углеродные волокна, нити и углеволокнистые материалы различных типов - карбонизованные и графитированные ()

Основные выпускные формы органических АВН: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, плетеные и вязаные структуры, холсты и нетканые материалы.

Для специальных видов композитов используются термостойкие ароматические волокна (метаарамидные, полиоксадиазольные и др.). В небольших количествах используются акриловые (нитрон), поливинилспиртовые (винол) и некоторые другие волокна.

Используемые для армирования углеродные волокна (УВ) изготовляют на основе трех видов волокон-прекурсоров: полиакрилонитрильных, вискозных и пековых (из нефтяных и каменноугольных пеков). Из-за высокой хрупкости УВ их текстильная переработка в АВН затруднена. Поэтому необходимые для армирования текстильные структуры изготовляются из волокон-прекурсоров и в таком виде уже подвергаются высокотеммпературной термической обработке и превращению в углеродные волокнистые материалы (УВМ), основные характеристики которых сведены в .

УВ и УВМ являются термостойкими, трудногорючими и хемостойкими материалами. Они обладают электропроводностью, зависящей от условий их получения и введения легирующих добавок. Основные выпускные формы УВМ: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, холсты и нетканые материалы.

В состав неорганических армирующих волокон и волокнистых наполнителей входят помимо силикатных (стеклянных и базальтовых) несколько других видов, получаемых на основе некоторых элементов (например, B), их оксидов (SiO2, Al2O3), карбидов (SiC и др.), нитридов и др., а также игольчатые монокристаллы (нитевидные кристаллы или «усы»). Однако основным видом неорганических армирующих волокон являются стекловолокна и стеклонити, изготовляемые из различных видов стекол. Наиболее распространены следующие их типы: А - щелочное, С - хемостойкое, E - электроизоляционное, S - высокопрочное.

Выпускные формы стекловолокнистых материалов: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, холсты и нетканые материалы.

В качестве АВН используются также полые стекловолокна и полые микросферы, что позволяет снизить эффективную плотность, а значит, и массу изделия. По ряду свойств к стекловолокнам близки волокна на основе природного силиката - базальта, им присуща более высокая хемостойкость.

Основные свойства неорганических волокон сведены в .

Использование неорганических волокон для получения высокопрочных или высокотермостойких ВПКМ обусловлено их высокой жаростойкостью и огнестойкостью. Они устойчивы ко многим агрессивным средам, негигроскопичны. В окислительной среде наиболее стойки оксидные и карбидные волокна. Карбидные волокна являются полупроводниками, их электропроводность возрастает с повышением температуры.

Основные виды полимерных матриц (связующих) . К ним относятся термопластичные матрицы (термопласты) и отверждающиеся (реактопласты), которые являются полимерными (или полимерообразующими) реакционными системами.

Выбор и соотношение исходных компонентов в процессах получения матриц на основе реактопластов зависит от вида и условий получения ВПКМ, способа их термической обработки, возможности сочетания с определенными наполнителями.

Как уже говорилось, в ВПКМ матрица (связующее) служит для передачи и перераспределения механических усилий между отдельными частицами дисперсной фазы, защиты наполнителя от внешних воздействий, создания монолитности материала. Все эти функции связующего зависят от его взаимодействия с наполнителем в процессе получения и эксплуатации композита - соотношения свойств компонентов, смачивания, адгезии, изменения свойств при взаимодействии компонентов.

Матрица (связующее) в виде расплавов, растворов, дисперсий (порошков, эмульсий, суспензий), волокон или пленок сочетается с армирующими волокнистыми наполнителями при получении армированных волокнистых полуфабрикатов (премиксов, препрегов, прессовочных, заливочных и других композиций) или в процессах формования заготовок и изделий методами смешения, пропитки, напыления, механического соединения. Важное значение при этом имеет равномерное распределение матрицы (связующего) между частицами наполнителя или армирующего компонента. Оно зависит от смачиваемости компонентов, вязкости связующего и его поверхностной энергии. На стадиях переработки полуфабрикатов вид, количество и распределение связующего определяют технологичность материала - формуемость, объемную усадку и другие характеристики.

Термопласты представляют собой линейные или разветвленные карбоцепные или гетероцепные полимеры, сополимеры и их смеси. При нагревании они обратимо переходят в размягченное или расплавленное состояние.

Наиболее распространены термопласты на основе карбоцепных полимеров - полиэтилена высокой и низкой плотности (ПЭВП, ПЭНП), полипропилена (ПП), поливинилхлорида (ПВХ), полистирола, полиакрилатов и др. Они доступны, дешевы, но имеют невысокие термические характеристики. Особое место среди карбоцепных полимеров занимают фторопласты (фторполимеры и сополимеры), имеющие высокую температуру плавления, термостойкость, хемостойкость, негорючесть, антифрикционные свойства.

Широко используются термопластичные гетероцепные полимеры: полиамиды (ПА) и сополиамиды (поликапроамид - капрон и найлон 6, полигексаметиленадипамид - анид и найлон 66, полиамиды 68, 10, 610, 12, 612 и др.), а также сложные полиэфиры (полиэтилентерефталат) и линейные полиуретаны, которые обладают более высоким комплексом функциональных свойств, но сложнее в переработке и дороже. Большинство термопластов являются материалами с умеренными термическими характеристиками. В термопласты часто вводятся различные добавки: минеральные порошкообразные наполнители, короткорезаные волокна и др.

В состав термостойких термопластов входят различные ароматические полимеры: поликарбонаты, ароматические полиамиды (полиметафениленизофталамид), ароматические полиэфиры, полисульфоны, полифениленоксиды, ароматические поликетоны и некоторые другие. Они обладают высокой тепло- и термостойкостью, устойчивы к эксплуатационным воздействиям, однако сравнительно дороги и в ряде случаев трудно перерабатываются.

К реактопластам относятся материалы на основе жидких или твердых, способных при нагревании переходить в вязкотекучее состояние, реакционноспособных олигомеров, отверждаемых при повышенной температуре и/или в присутствии специально добавляемых в композицию веществ - отвердителей. При этом вследствие протекания химических реакций образуется сетчатая структура.

По виду реакционноспособных компонентов реактопласты подразделяют на следующие группы: фенопласты (на основе фенолоформальдегидных смол; аминопласты (на основе меламино- и мочевиноформальдегидных смол); полиэфирные смолы (на основе ненасыщенных полиэфиров, отверждаемых путем сшивки стиролом, акриловыми мономерами, полиалкиленгликольмалеинатом и полиалкиленгликольфумаратом); эпоксидные (эпоксидиановые) смолы, отверждаемые многофункциональными спиртами, аминами, карбоновыми кислотами. Часто для эпоксидных смол горячего отверждения используется триэтаноламинтитанат (ТЭАТ), а для смол холодного отверждения - полиэтиленполиамин (ПЭПА).

Наряду с указанными видами базовых связующих смол часто используются модифицированные их виды, в частности, эпоксифенольные. Процессы получения и переработки этих связующих весьма различны.

Все виды матриц (связующих) имеют свои особенности применения. Фенольные и близкие к ним смолы постепенно выделяют вредные компоненты, особенно при повышенных температурах, поэтому, как правило, их не рекомендуется использовать для изделий бытового назначения. Для таких изделий целесообразнее использовать меламиновые смолы, поскольку они не образуют заметных количеств вредных выделений. Полиэфирные смолы также малотоксичны в отвержденном состоянии, но обладают наиболее низкими механическими и термическими свойствами.

Наибольшая прочность и высокая адгезия к армирующим волокнам среди реактопластов присуща эпоксидным смолам, поэтому их предпочтительно использовать для изготовления более нагруженных изделий. Они также достаточно термостойки. При модификации этих смол фенольными связующими их показатели заметно улучшаются. Однако эпоксидные смолы относятся к весьма дорогим среди указанных реактопластов. Кроме того, они могут выделять в небольших количествах токсичные вещества.

При получении композитов со специальными свойствами применяются особые виды матриц (связующих), в том числе с высокой температурой размягчения и высокой термостойкостью, являющиеся высококачественными диэлектриками: термопласты (фторполимеры, ароматические метаполиамиды, например фенилон и номекс, поликарбонаты, полифениленоксид, полисульфоны, ароматичекие поликетоны), реактопласты (например, полиимиды).

В качестве матрицы с высокими электроизоляционными свойствами и высокочастотного диэлектрика применяется также ПЭВП, однако его термические характеристики невысоки.

Армирующие волокнистые наполнители (АВН). Для конструкционных композитов общего назначения широко используются АВН на основе волокон с умеренными характеристиками механических свойств (стеклянных и других наиболее доступных и относительно дешевых волокон). Композиты со специфическими физическими и другими свойствами получают, используя АВН на основе соответствующих видов волокон и волокнистых структур.

Композиты с высоким уровнем механических свойств получают с использованием АВН на основе высокопрочных, а также сверхпрочных и высокомодульных волокон и нитей: параарамидных, стеклянных, углеродных, оксидных, карбидных, борных и др.

Получение термостойких композитов требует использования АВН на основе высокотермостойких ароматических, углеродных, специальных стеклянных, а также других неорганических волокон и нитей.

Для электроизоляционных конструкционных композитов используются АВН на основе полиэфирных волокон и специальных видов стеклонитей с высокими электроизолирующими свойствами (особенно для высокочастотных диэлектриков).

Видом волокнистого наполнителя во многом определяются заданные физические характеристики, а также устойчивость к эксплуатационным воздействиям (температуры, окружающей среды и др.). В ряде случаев выбор АВН может диктоваться экономическими причинами - их стоимостью как сырья.

Направление использования композитов требует соответствующего выбора полимерных матриц (связующих), обеспечивающих высокую степень реализации функциональных свойств армирующих волокон и АВН в готовом композиционном материале и изделии.

Перечислим наиболее важные виды композиционных материалов в зависимости от волокнистого состава АВН: органопластики (содержащие различные органические волокна или нити); арамидопластики, армированные арамидными волокнами или нитями; стеклопластики (со стеклянными волокнами или нитями); углепластики (содержащие углеродные волокна или нити); боропластики и др.

Степень армирования и расположение волокон в АВН и ВПКМ. Как уже указывалось, свойства ВПКМ определяются не только характеристиками исходных компонентов, но также размером частиц наполнителя или армирующего компонента, их взаимным расположением и объемным содержанием.

Принципиальное отличие волокнистых ПКМ от текстильного материала то, что основным армирующим элементом в них является каждое отдельное волокно, окруженное матрицей и/или связующим, независимо от вида армирующего волокнистого наполнителя.

Структура применяемого АВН важна, как средство достижения заданного расположения и ориентации волокон по отношению к направлению действующих усилий в композите или композитном изделии.

Основные варианты расположения волокон в АВН и соответственно в получаемых на их основе композитах приведены на .

Исходя из изложенного, желательно добиваться более плотной упаковки волокнистого наполнителя. Предельную степень наполнения, или армирования χ можно рассчитать, исходя из плотной геометрической укладки шаров или цилиндров. Ниже приведены ее значения: для плотной укладки шаров χ = 0, 524; для плотной укладки цилиндров по треугольнику (гексагональная упаковка) χ = 0,907; при укладке цилиндров по квадрату χ = 0,785; при перекрестной слоевой укладке цилиндров χ = 0,785; при плотной трехмерной укладке цилиндров χ = 0,59.

Однако самая теоретически плотная укладка волокон невозможна и даже вредна, так как необходимо, чтобы каждое волокно было окружено слоем матрицы (связующего) для обеспечения наиболее высокой адгезии волокон, передачи механических усилий между армирующими волокнами и достижения максимальной монолитности композита и изделия.

На практике применяются следующие объемные степени армирования при получении композитов и изделий с оптимальными механическими характеристиками: при армировании дисперсными наполнителями χ ≤ 0,3...0.45; при армировании однонаправленными АВН χ ≤ 0,6...0,75; при армировании тканями и плетеными полотнами χ = 0,45 ≤ 0,55; при армировании неткаными материалами χ ≤ 0,3...0,4; при армировании бумагами и картонами χ ≤ 0,35...0,5;

Так, например, при заполнении межволоконного пространства однонаправленных ВПКМ выше критического значения (0,65...0,75) нарушается монолитность композита, что приводит к появлению в нем неравномерности напряжений, а поэтому к разрушению при меньших механических напряжениях, чем для монолитных образцов.

Существуют методы повышения объемной степени армирования. Один из них - применение смеси наполнителей с частицами различного размера, более плотно заполняющими объем. В случае однонаправленных АВН - это армирование нитями, жгутами или лентами с элементарными нитями различных поперечных размеров (диаметров). Для органических нитей предложено их профилирование путем вальцевания или протяжки через специальные волоки и/или фильеры при нагревании, вследствие чего их профиль приближается к многограннику (близкому к правильному шестиграннику), заметно увеличивая долю волокон в композите.

Анизотропия расположения и длина волокон в АВН и ВПКМ. Выше уже говорилось, что расположение волокон в ВПКМ связано с направлением действия нагрузок, причем оно задается как исходной структурой волокнистого наполнителя, так и условиями получения композита с целью наиболее полной реализации механических свойств волокон в готовом материале или изделии. Поскольку в армированных пластиках (волокнистых композитах) фактически «работают» отдельные волокна, находящиеся в матрице, то для армирования используются самые различные виды и структуры АВН.

Таким образом, армированные волокнами и волокнистыми структурами ПКМ с требуемым запасом механических характеристик обычно анизотропны, что зависит от расположения армирующего компонента и анизотропии самих волокон. Наибольшей анизотропией обладают 1-D (однонаправленные) и 2-D (двунаправленные) АВН и композиты на их основе, перекрестно-армированные или намотанные однонаправленными волокнистыми структурами: нитями, жгутами, лентами, тканями. Слоистые композиты на основе нетканых материалов, волокниcтых слоев (холстов), бумаг обычно мало анизотропны в плоскости армирования, но существенно анизотропны по отношению к нормальному к слоям направлению. 3-D АВН и композиты. Хаотически армированные в трех направлениях композиты обычно достаточно изотропны.

Некоторые армирующие волокна, например параарамидные, сами имеют высокую анизотропию механических и физических свойств, что определяет низкую прочность на сжатие и сдвиг однонаправленных и двунаправленных ВПКМ на их основе, а также двунаправленных композитов, например текстолитов. Для повышения этих свойств используют гибридные армирующие волокнистые наполнители, состоящие из различных видов волокон или нитей. В качестве второго компонента обычно используют мало анизотропные углеродные волокна (нити) или практически изотропные стекловолокна. В межволоконное пространство ПКМ могут вводиться также короткие волокна или нитевидные кристаллы, повышающие «поперечные» механические свойства.

Влияние длины волокон на свойства композитов существенно только до длины, составляющей несколько критических размеров. В готовых композитах критическая длина волокон, составляющая доли миллиметра, определяется значительными по величине силами адгезии между волокнами и матрицей. Таким образом, достижение необходимых механических свойств композитов при длине волокон в несколько миллиметров преимущественно зависит от их механических свойств и расположения в материале и уже относительно мало зависит от длины волокон.

В отличие от ВПКМ в текстильных материалах, образованных нитями (тканях, вязаных, плетеных и др.) основным структурным элементом является нить в целом, но не отдельное волокно. И именно она воспринимает прилагаемые к материалу механические усилия. Распределение этих усилий в текстиле происходит благодаря действию сил трения между волокнами и нитями, что приводит к большим критическим длинам. Так, критические длины волокон и нитей в текстиле составляют несколько миллиметров и более, а в ВПКМ они составляют только десятые доли миллиметра и менее.

При нагружении композитов расположение волокон изменяется незначительно, хотя они деформируются вместе с матрицей вплоть до разрушения композита. Следует отметить, что в отличие от композитов в текстильных материалах вследствие лабильности их структуры волокна и нити существенно изменяют свое расположение, ориентируясь в направлении действия максимальных нагрузок. В технологии получения композитов и изделий из них длина волокон в АВН в несколько раз превышает критическую, что важно для обеспечения «податливости» волокнистой структуры без ее разрыва и в результате - нужного расположения волокон. Это играет важную роль при использовании АВН в сложных по форме ПКМ и изделиях, поскольку при их получении изменение раскладки АВН позволяет переориентировать нити заданным образом.

Таким образом, используя различные виды АВН и технологические приемы, можно оптимизировать расположение армирующих волокон в готовом композите или изделии и добиться наиболее рационального варианта, при котором большая часть волокон расположена в направлении главных действующих механических напряжений в условиях эксплуатации.

Основные виды армирующих волокнистых наполнителей. Свойства волокнистых ПКМ, особенно механические, как отмечено выше, определяются, прежде всего, видом, свойствами, размерами и расположением армирующих волокон, т.е. строением АВН. Кратко рассмотрим основные виды армирующих волокнистых наполнителей - волокнистых структур.

Для изготовления высокопрочных жестких однонаправленных композитов применяются нити, жгутики (ровинги), жгуты и ленты, являющиеся однонаправленными АВН. Они также используются для получения слоистых пластиков путем выкладки слоев во взаимно перпендикулярных направлениях и под различными углами. Послойное расположение наполнителя особенно важно в случае прессования композитов на основе хрупких нитей, при котором наличие перегибов в текстильных структурах приводит к снижению степени реализации механических свойств волокон (нитей) или их разрушению при прессовании.

В случае использования углеродных АВН применяются тканые ленты, где армирующие нити являются основой, а редко расположенный уток служит в основном для фиксации нитей и сохранения структуры лент при получении композитов или изделий.

Высокомодульные нити, жгуты и ленты, предназначенные для изготовления особо прочных однонаправленных и намотанных изделий, должны уже в технологии их получения наматываться на патроны большого диаметра во избежание появления наведенной разнодлинности между отдельными элементарными или комплексными нитями. Например, для параарамидных и углеродных нитей линейной плотностью 100 текс и более наружный диаметр патрона желательно иметь не менее 80...100 мм.

Наиболее распространенными текстильными материалами, используемыми для получения слоистых пластиков типа текстолитов в виде листовых, намотанных и формованных изделий, являются ткани. Они применяются и для изготовления прессованных изделий с умеренным радиусом кривизны.

Для получения текстолитов применяют ткани полотняного, саржевого, сатинового и других простых переплетений, причем наличие в раппорте длинных перекрытий способствует получению композитов с более высоким уровнем механических свойств. Для изготовления текстолитов используются ткани различной поверхностной плотности - легкие (до 150 г/м2), средние (до 300 г/м2) и тяжелые (более 300 г/м2).

Для производства текстолитов все большее применение находят плоские плетеные текстильные структуры с заданным углом расположения наполнителей и раппортом переплетений, обеспечивающим максимально высокие механические характеристики в направлении действия внешних нагрузок. Раппорт с достаточно длинными перекрытиями нитей обеспечивает достижение большей прочности и жесткости структуры в заданном направлении. Использование же плетеных лент и шнуров диктуется особенностями профиля и механических свойств композиционных деталей и изделий. В большинстве случаев плетеные структуры изготовляют на основе оптимизационных расчетов по целевым заказам.

Сравнительно недавно в качестве АВН стали использовать трикотажные (вязаные) полотна и другие структуры. Возможности создания структур с заданным расположением нитей, необходимым для наиболее ответственных видов деталей и изделий, несущих высокие нагрузки, имеет определенные преимущества. Трикотажные полотна вследствие высокой податливости позволяют получать детали и изделия с малыми радиусами кривизны. Для достижения более высокого уровня свойств в направлении расположения слоев применяются переплетения с длинными прямыми участками петель. Трикотажные полотна имеют важные преимущества при изготовлении деталей и изделий с расположением наполнителя в виде вязаных объемных форм с различной плотностью вязания и заданной толщиной материала. Благодаря поперечному расположению нитей они обеспечивают получение материалов большой толщины, что необходимо для выработки малоанизотропных композиционных изделий с заданной анизотропией механических характеристик.

При изготовлении деталей и изделий, несущих высокую механическую нагрузку, широко применяются трехмерные тканые, вязаные и плетеные структуры. Эти АВН изготовляют обычно на основе высокопрочных и/или высокомодульных нитей: параарамидных, углеродных или неорганических. Получаемым объемным структурам придается внешняя форма изготовляемых деталей или изделий, причем нити в них располагаются таким образом, чтобы они были ориентированы в направлении действия наибольших механических напряжений.

Для получения листовых текстолитов с умеренными механическими характеристиками чаще всего используются нетканые материалы и другие волокнистые слои (холсты) на основе волокон. Они широко используются при изготовлении изделий методами прессования и контактного формования (выкладки), поскольку более податливы, чем тканые и другие структуры из нитей вследствие подвижности отдельных волокон. Благодаря этому обеспечивается возможность изготовления изделий со сравнительно малым радиусом изгиба при сохранении целостности и с незначительным утонением волокнистого слоя при прессовании. Нетканые полотна предпочтительнее для получения формованных изделий сложной формы.

Для обеспечения заданных механических характеристик ПКМ применяются гибридные волокнистые наполнители. К ним относятся сверхпрочные органические волокна и нити, имеющие высокие удельные механические характеристики при растяжении, но высокую анизотропию свойств, а значит недостаточный уровень прочности в поперечном направлении и при сдвиге. Последнее вызывает необходимость повышения поперечных свойств в анизотропных композитах - слоистых пластиках и других однонаправленных структурах.

Повышение поперечных свойств композитов особенно важно при армировании параарамидными волокнами, нитями и АВН на их основе. В этом случае в качестве второго компонента используются углеродные, стеклянные или другие неорганические волокна и нити. При этом возможно как получение гибридных АВН (лент, жгутов, тканей и других видов полотен), так и совместное их применение в процессе послойной выкладки при получения композитов. Гибридные АВН могут иметь вид волокнистых слоев, тканей, плетеных структур, вязаных (трикотажных) материалов.

Еще одной целью применения гибридных АВМ является придание им некоторых дополнительных физических или других свойств. Так, для получения электропроводных композитов и изделий из них в АВн вводят элетропроводящие углеродные волокна или нити. Таким путем создаются композиты с заданной электропроводностью или обладающие антистатическими свойствами.

Важным случаем является изготовление гибридных АВН, где второй компонент несет вспомогательные функции и затем удаляется либо входит в состав матрицы при получении композита. Примером этого является получение тканых или вязаных АВН из жестких и хрупких углеродных нитей или тонких проволок тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама и др.). В качестве нити-спутника используется хлопчатобумажная пряжа (которая затем либо удаляется выжиганием или кислотным травлением, либо остается в составе композита), а также нить из растворимых, например, поливинилспиртовых волокон (которая либо удаляется растворением водой, либо набухает и входит в состав почти любого термореактивного связующего).

При получении слоистых (листовых) бумажных пластиков - гетинаксов, а также сотовых конструкций используются бумаги на основе химических волокон, в частности, арамидных термостойких волокон, либо бумаги, содержащие коротко резаные углеродные волокна.

Основные методы и стадии получения композитов и изделий. Для получения композитов и/или формования изделий из наполненных и армированных термопластов и реактопластов применяются различные исходные составы: порошкообразные и волокнистые наполнители; матрицы (связующие) в виде расплавов или жидких композиций (растворов и эмульсий, компаундов, содержащих исходные мономеры или олигомеры), премиксов (на основе эпоксидных, полиэфирных или других связующих), паст, порошков, гранул и таблеток, рыхловолокнистых смесей, препрегов (на основе нитей, жгутов, лент, тканей, нетканых матов и холстов, бумаг, пропитанных связующим) и др.

Стадии получения волокнистых композитов и изделий из них в зависимости от вида матрицы (связующего), представлены в .

Основные параметры процессов получения композитов - это давление, температура и время. Давление обеспечивает уплотнение материала и создание изделий заданной формы. Температурно-временные режимы получения деталей и изделий определяются протеканием в материале физических (кристаллизация, релаксация) и химических (отверждение и сшивка) процессов. Кроме того, продолжительность технологического процесса зависит от скорости прогрева или охлаждения перерабатываемого материала, что определяет выравнивание температуры по его толщине.

Промежуточной стадией получения армированных волокнистых полуфабрикатов в технологическом процессе получения композиционных материалов или изделий является пропитка волокнистых наполнителей. Для этого используют расплавы термопластов и растворы, жидкие олигомеры или дисперсии исходных компонентов для реактопластов. Пропитку ведут на машинах периодического или непрерывного действия, затем следует сушка (при пропитке растворами или дисперсиями) и охлаждение пропитанного наполнителя.

В процессах переработки термопласты, в том числе наполненные, переводятся в высокоэластическое или вязкотекучее состояние и при снижении температуры затвердевают. В расплавленном или текучем состоянии материал деформируется, приобретая форму детали или изделия. При охлаждении термопластов происходят процессы кристаллизации и релаксации (снятия внутренних напряжений), что необходимо для придания изделию стабильности размеров и формы.

При переработке реактопластов на первой стадии материал также плавится или размягчается, деформируется и приобретает необходимую форму. На второй стадии протекают реакции образования химических сшивок и сетчатой структуры полимера. Часто при отверждении реактопластов с выделением тепла происходит разогрев материала, вызывая его деструкцию. Поэтому в цикле формования может появиться необходимость отвода выделяющегося тепла.

После процесса формования изделий происходит их усадка как вследствие уменьшения объема при охлаждении и кристаллизации, так и особенно при отверждении реактопластов. Неполнота этих процессов может приводить к последующим усадочным явлениям и короблению готовых изделий.

При использовании исходных материалов, содержащих растворители, а также при отверждении реактопластов для сохранения монолитности композита низкомолекулярные продукты реакции должны быть удалены. Получению монолитного материала способствует также применение давления, поскольку остаточная часть низкомолекулярных компонентов, выделившаяся в виде газовой фазы (пузырей), под давлением может быть растворена со временем и уже не препятствует нормальному процессу формования изделий.

Армированные волокнистые полуфабрикаты (АВП) являются промежуточными материалами, содержащими заданное количество волокнистого наполнителя и полимерной матрицы. АВП являются удобной выпускной формой полуфабрикатов. На их основе различными методами переработки получают композиционные материалы и изделия самой различной формы.

Основные виды АВП зависят от вида используемого АВН: премиксы и волокниты, препреги , АВП с термопластичными матрицами (полиэтиленом, полипропиленом, полиамидами и пр.) и заранее добавленными красителями или другими компонентами могут храниться до их переработки в композиты практически неограниченное время.

АВП с термореактивными матрицами изготовляют на основе олигомеров термореактивных смол, не полностью отвержденных и потому текучих при нагревании (фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и др.) с добавлением порошкообразных наполнителей, красителей, смазывающих веществ (для исключения прилипания к пресс-формам). Срок хранения таких АВП определяется техническими условиями, поскольку даже при комнатной температуре происходит медленное отверждение связующего. Часто рекомендуется их хранение при пониженной температуре.

Готовыми к применению АВП являются пресс-волокниты, изготовляемые на основе коротко резаных волокон как дисперсных наполнителей с применением термореактивных связующих. Их выпускная форма - таблетки или частицы неправильной формы. Такие АВП перерабатываются в изделия обычно методом горячего прессования.

Методы получения изделий из волокнистых полимерных композитов. Для формования изделий из наполненных полимеров и термопластичных АВП применяются следующие методы: литье под давлением; литьевое прессование; прямое прессование высоковязких термопластов; прокатка; экструзия; каландрование; вакуум- и пневмоформование; метод окунания и напыления; метод ротационного формования; метод штамповки из листов и др.

Особенностью изготовления изделий из армированных полимерных материалов на основе реактопластов является во многих случаях образование материала в процессе изготовления изделия. Применяются следующие основные методы: прессование; послойная выкладка на макете; пултрузия; прокатка; напыление; формование в стягиваемой форме и термокомпрессионное формование; намотка и обмотка тел вращения; пропитка армирующего наполнителя в разъемной форме; вакуумный и вакуумно-автоклавный методы; пресс-камерный метод и др.

Для соединения деталей из волокнистых полимерных материалов применяются процессы сварки, склеивания, механической сборки.

Для заключительной обработки изделий из волокнистых полимерных материалов применяются: термическая стабилизация (релаксация), радиационная и лазерная обработка, механическая обработка и другие методы.

Полимерные композиты различного волокнистого состава.

Под органопластиками (органокомпозитами) подразумевают полимерные материалы, армированные наполнителями на основе химических волокон, с использованием термопластичных и термореактивных связующих (матриц). В их число обычно не включают композиты на основе АВН из природных, углеродных и неорганических волокон, выделяя их в отдельные группы.

Состав органопластиков может быть весьма различным в зависимости от назначения и комплекса желаемых свойств. В качестве армирующих чаще всего применяются следующие АВН: полиэфирные (для органопластиков электротехнического назначения); термостойкие, например из метаарамидных волокон (для органопластиков, эксплуатируемых при высоких температурах, в том числе электротехнического и антифрикционного назначения); параарамидные (для высокопрочных и высокомодульных органопластиков).

В качестве связующих используются фенолформальдегидные, полиэфирные, а также эпоксидные, эпоксифенольные, полиимидные и другие реактопласты (последние - для высокопрочных органопластиков). Содержание связующего в зависимости от схемы армирования составляет 30...50%.

В качестве термопластичных матриц используются полиолефины (полиэтилен высокой плотности, полипропилен), фторопласты, поливинилхлорид, полиуретаны и др. Содержание наполнителя составляет от 5 до 70% (об.), реже - более высокое. Введение в термопласты АВН повышает их механические свойства и эксплуатационные характеристики ().

Получение органопластиков не имеет заметных отличий от получения других видов армированных композитов, разница состоит лишь в выборе компонентов и технологических режимов.

Свойства органопластиков существенно зависят от вида АВН и матрицы, соотношения компонентов, схемы армирования (расположения волокон), особенностей взаимодействия компонентов матрицы с волокнами, технологии изготовления. Для этих материалов характерны низкая плотность, высокие механические показатели, особенно удельные, сравнительно низкая теплопроводность, хорошие диэлектрические свойства, устойчивость к действию активных сред.

Для органопластиков характерна умеренная теплопроводность в направлениях, перпендикулярных расположению армирующего наполнителя (0,012...0,02 Вт/(см·К). Они также имеют высокие диэлектрические показатели, особенно в случае армирования полиэфирными волокнами: невысокую диэлектрическую проницаемость (3,7...4,2), низкий тангенс угла диэлектрических потерь (0,01...0,25) в широком диапазоне частот, высокое объемное электрическое сопротивление (1013...1015 Ом·см) и электрическую прочность (20...30 кВ/мм).

Термостойкость органопластиков определяется соответствующими показателями компонентов. В то же время они довольно устойчивы к действию активных сред - многих растворителей, нефтепродуктов, воды.

Применение органопластиков достаточно широкое. Они являются важными конструкционными электро- и радиотехническими материалами, используются в изделиях машиностроения, в том числе транспортного и химического, в летательных аппаратах, в качестве радиопрозрачных материалов, для изготовления спортивного снаряжения, в медицинской технике.

Арамидопластики могут быть выделены в особый вид органопластиков с наиболее высокими механическими и термическими характеристиками.

Достижение наиболее высоких механических характеристик требует использования высокомодульных армирующих наполнителей: нитей, жгутов, лент, тканей, материалов на основе резаных волокон, а также высокопрочных термореактивных связующих с высокой адгезией к арамидным волокнам. Применение резаных арамидных волокон и нетканых материалов менее эффективно, так как в этих случаях высокие механические свойства арамидных волокон не реализуются полностью, однако оно все же позволяет рационально использовать отсортированные партии арамидных волокон или АВН с более низкими показателями свойств.

В качестве матриц часто используются эпоксидные, эпоксифенольные, полиимидные и другие модифицированные связующие на основе эпоксидов и полиимидов. Реже - термостойкие термопласты. Применение обычных типов термореактивных и термопластичных матриц, как правило, не позволяет использовать высокие механические и термические свойства арамидных волокон и потому малоэффективно.

Получение органопластиков не имеет заметных отличий от получения других видов армированных композитов, разница состоит лишь в выборе компонентов и технологических режимов

Свойства арамидопластиков наиболее высокие среди различных видов органокомпозитов. Их механические характеристики сведены в .

По удельному модулю упругости арамидопластики превосходят стеклопластики почти в 2 раза, а по прочности - в 1,3...1,8 раза. Они имеют высокие усталостные характеристики, устойчивы к вибрации и обладают высоким коэффициентом поглощения звука и вибрации.

Благодаря высокой анизотропии свойств арамидных волокон арамидопластики целесообразно эксплуатировать в условиях действия растягивающих нагрузок в направлении армирования. В то же время их прочность при растяжении в других направлениях, при сжатии и сдвиге сравнительно невысока. Для ее повышения находят применение гибридные армирующие наполнители с включением в их состав углеродных, стеклянных и других неорганических волокон и нитей, расположение которых определяется необходимыми механическими характеристиками изделий. Как материалы с весьма высокими механическими показателями однонаправленные органопластики рассматриваются отдельно.

Теплофизические свойства арамидопластиков непосредственно зависят от расположения армирующего наполнителя. Их теплопроводность в направлении, перпендикулярном к волокнам, невысока. Коэффициент термического расширения в направлении армирования может быть даже отрицательным (варьируется в диапазоне 2·10-5 ... -4·10-6 1/°С).

Диэлектрические характеристики арамидопластиков находятся на уровне показателей других органопластиков.

Термостойкость арамидопластиков достаточно высокая, применение термостойких связующих позволяет длительно эксплуатировать их при температуре до 200...250 °С. Это трудногорючие материалы. При использовании фенольных и полиимидных связующих в процессе высокотемпературного пиролиза они способны к коксованию с высоким выходом кокса. Арамидопластики устойчивы к действию активных сред, многих органических растворителей, нефтепродуктов, воды.

Применение арамидопластиков определяется их высокими механическими и термическими свойствами. Они эффективны в тех областях, где требуются высокие удельные механические характеристики - в летательных аппаратах, транспортных средствах, защитном (бронежилеты, каски), спасательном и спортивном снаряжении, медицинской технике.

Стеклопластики - это композиционные материалы на основе стекловолокон и полимерных связующих. Для армирования используются различные виды стекловолокон, нитей и волокнистых материалов.

Стекловолокнистые наполнители и связующие для стеклопластиков подбираются с учетом эксплуатационных условий:

Для стеклопластиков конструкционного назначения применяются стекловолокнистые наполнители из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла

Для материалов и изделий, работающих в условиях высоких механических нагрузок, применяют АВН из высокопрочных и высокомодульных стеклонитей на основе магнезиально-алюмосиликатного стекла, имеющие прочность на 25...50%, а модуль упругости на 25...30% выше, чем обычные стеклонити

Устойчивые в кислых средах стеклопластики (химическое оборудование, аккумуляторные баки и др.) изготовляют из хемостойкого боросиликатного стекла, для этой цели используют также базальтовые АВН

Крупногабаритные изделия, не несущие очень высокие механические нагрузки (корпуса судов, строительные панели и др.), изготовляют из тканей на основе дешевого щелочного алюмоборосиликатного стекла

Термостойкие изделия, работающие при температуре 300°С и выше, изготовляют из кремнеземных и кварцевых нитей;

Для композитов электротехнического назначения используют АВН из боросиликатного стекла, имеющие диэлектрическую проницаемость на 30...40% ниже, чем у других видов стекол.

В качестве полимерных матриц применяются преимущественно термореактивные смолы (фенольные, эпоксидные, полиимидные), а также термостойкие термопласты - ароматические полиамиды, полисульфоны, поликарбонаты. Низкоплавкие термопласты типа полиолефинов применяются относительно редко, так как они имеют низкую адгезию к стекловолокнам и не позволяют реализовать свойства стекловолокнистых наполнителей. Однако используется стеклонаполненный полиамид. Для стеклопластиков электрорадиотехнического назначения используются связующие с высокими диэлектрическими характеристиками: кремнийорганические, эпоксидные и др.

Для удобства применения в ограниченных количествах изготовляются АВП на основе стекловолокнистых наполнителей и полимерных смол, т.е. содержащие заданное количество армирующего наполнителя и полимерной матрицы материалы, подготовленные для изготовления деталей и изделий - на основе термореактивных связующих и реже - термопластов (препреги, пресс-волокниты, премиксы).

Получают стеклопластики с применением методов прессования, выкладки с последующим прессованием, пултрузии и др. Высокопрочные и высокомодульные углепластики изготовляют из стеклонитей, жгутиков (ровинга), жгутов и лент с высокими механическими характеристиками. В качестве связующих применяют чаще всего термореактивные смолы - фенольные, полиэфирные, эпоксидные, полиимидные, которые обеспечивают высокую адгезию и высокую степень реализации механических свойств стекловолокон. Наполненные термопласты перерабатывают методами прессования, литьевого прессования, литья и др.

Полученные материалы и изделия при необходимости подвергают механической обработке. Однако из-за абразивных свойств стекловолокон предпочтительно применение твердосплавного или алмазного инструмента.

Основные характеристики стеклопластиков (пресс-волокнитов, текстолитов, материалов на основе однонаправленных армирующих волокон) достаточно известны и приведены в справочной литературе. Некоторые показатели сведены в .

Механические свойства стеклопластиков в направлении армирования в значительной мере определяются свойствами армирующих волокон и их расположением, в меньшей степени они зависят от связующего. Температурные характеристики стеклопластиков обусловлены в основном свойствами связующих.

Стеклотекстолит превосходит обычные текстолиты и органотекстолиты по механическим характеристикам, теплостойкости, электроизоляционным свойствам, действию влаги и активных сред, другим зксплуатационным воздействиям.

Стеклонаполненные пресс-материалы и текстолиты служат для изготовления различных деталей, в качестве конструкционных, электрорадиотехнических, хемостойких и др. Широкое применение стеклопластики находят в судостроении, транспортных стредствах, при изготовлении крупных емкостей и для других целей.

Базальтопластики во многом близки к стеклопластикам. Однако более высокая стойкость базальтовых волокон к кислотам и щелочам по сравнению со стекловолокнами позволяет получать более хемостойкие материалы.

В качестве наполнителей используются рубленые базальтовые волокна, нити, жгуты, ткани, нетканые материалы, в редких случаях - бумаги. В качестве связующих используются те же виды, что и в производстве асбо- и стеклопластиков.

Технология переработки базальтопластиков и стеклопластиков в композиты и изделия также во многом похожа. Основной метод переработки - прессование под давлением до 30...50 МПа

Свойства базальтопластиков определяются как характеристиками применяемого волокна, так и свойствами связующего. Они являются высококачественными конструкционными материалами с высокими механическими свойствами, термо- и огнестойкостью и особенно хемостойкостью. Поскольку базальтовые волокна более стойки к действию влаги, чем стекловолокнистые материалы, и мало изменяют свои диэлектрические характеристики при увлажнении, они используются также как высокотемпературные конструкционные диэлектрики.

Базальтопластики применяются в основном как хемостойкие материалы и изделия, для футеровки оборудования, а также для изготовления изделий электротехнического назначения.

Углепластики - это композиционные материалы на основе углеродных волокон и полимерных связующих, где для армирования используются различные виды углеродных волокон и волокнистых материалов.

Состав углепластиков определяется требованиями к изготовляемым из них изделиям. К углепластикам на основе карбонизованных или графитированных волокон относятся: пресс-материалы на основе углеродных (обычно карбонизованных) нетканых материалов и резаных волокон; углетекстолиты на основе углеродных (карбонизованных) и графитированных тканей; высокопрочные и высокомодульные углепластики на основе углеродных (графитированных) нитей, лент, жгутов в виде профилей, намотанных изделий, листов.

Графитированные волокна и волокнистые материалы имеют более высокие механические и термические свойства, однако они довольно дорогие.

В качестве полимерных матриц применяются преимущественно термореактивные смолы (эпоксидные, полиимидные, фенольные), а также термостойкие термопласты: ароматические полиамиды, полисульфоны, поликарбонаты. Применение низкоплавких термопластов типа полиолефинов, алифатических полиамидов мало целесообразно, так как они не позволяют реализовать многие свойства углеродных наполнителей.

Для удобства применения на основе углеродных и графитированных волокон и полимерных смол выпускают АВП, т.е. материалы, содержащие заданное количество армирующего наполнителя и полимерной матрицы, подготовленные для изготовления деталей и изделий: препреги, пресс-волокниты, премиксы.

Получают углепластики обычно из заранее подготовленных премиксов или препрегов, используя методы прессования, пултрузии, выкладки с последующим прессованием. Высокопрочные и высокомодульные углепластики изготовляют из соответствующих видов углеродных нитей, жгутов и лент с высокими механическими характеристиками. Для наиболее полной реализации механических свойств углеродных наполнителей используется преимущественно однонаправленная и перекрестная укладка. В качестве связующих применяют чаще всего термореактивные смолы - эпоксидные, фенольные, полиимидные, которые обеспечивают высокую адгезию и высокую степень реализации механических свойств углеродных волокон.

Углеродным волокнам присуща высокая хрупкость, что требует осторожности при их переработке в углепластики: необходимо проводить прессование при высоких давлениях, а также избегать резких перегибов армирующих наполнителей.

Основные характеристики углепластиков (пресс-волокнитов, текстолитов, материалов на основе однонаправленных армирующих наполнителей) приведены в литературе, ряд из них сведен в .

Механические свойства углепластиков в направлении армирования определяются в значительной мере свойствами армирующих волокон и их расположением, в меньшей мере они зависят от связующего. Температурные характеристики углепластиков определяются в основном свойствами связующих.

Углеродные пресс-материалы и текстолиты служат для изготовления различных деталей, в качестве антифрикционных, хемостойких и др. Из них изготовляют, в частности, вкладыши подшипников. На основе пресс-волокнитов и листовых углеродных препрегов с фенольными и другими хемостойкими матрицами изготовляют детали насосов, арматуру, теплообменники, композиционные хемостойкие покрытия на металлических изделиях (чаще всего емкостях и другой химической аппаратуре). Углепластики используются также взамен ранее применявшихся материалов на основе асбеста (фаолит).

Углепластики на основе фенольных и полиимидных связующих, а также углерод-углеродные материалы используются в качестве высокотермостойких конструкционных изделий и покрытий. Выбор указанных связующих обусловлен тем, что при карбонизации они превращаются в кокс с высоким выходом по углероду, образуя при этом достаточно прочную углеродную матрицу. Углерод-углеродные материалы могут эксплуатироваться при высоких температурах, а в инертной среде - до 2500°С.

Высокопрочные и высокомодульные углепластики, а также углетекстолиты применяются для изготовления наиболее ответственных деталей и изделий в летательных аппаратах, в судах, других транспортных средствах, медицинской технике, в спортивных изделиях, протезах.

Термопласты, содержащие углеродные волокна в количестве до 2...3%, применяются как антистатические материалы. Эффективность применения углеродных волокон как наполнителя существенно выше, чем традиционных добавок технического углерода, так как волокна образуют электропроводную «сетку» в материале при существенно меньшем их содержании.

Боропластики. Армирующим материалом в них являются борные нити или АВН на их основе. Боропластики состоят из армирующих борных мононитей, жгутов, а также лент или тканей (в двух последних борные нити обычно переплетены другими нитями) и термореактивных высокопрочных или термостойких связующих - эпоксидных, полиимидных и др.

Процессы получения боропластиков и стеклопластиков примерно аналогичны. Из-за большого диаметра борных мононитей (80...100 мкм) и их высокой хрупкости они не выдерживают перегибов, поэтому нитепроводящие детали не должны иметь высокой кривизны. Изделия изготовляют методами послойной выкладки, намотки с последующим формованием в автоклавах под давлением до 1,6 МПа при температуре до 200°С (эпоксидные смолы) или до 300°С (полиимидные смолы).

Для повышения адгезии к связующим волокна перед применением подвергают травлению азотной кислотой, что существенно повышает прочность композита при сдвиге и ударную вязкость. Последняя может быть увеличена путем введения в связующее коротких неорганических волокон или игольчатых кристаллов.

Боропластики являются высокопрочными, высокомодульными композитами. В основном они изготовляются как однонаправленные материалы. Их свойства сведены в .

Для сохранения высоких механических свойств борных нитей в изделиях они не должны иметь резких перегибов (допустимый радиус изгиба не менее 300 мм). Термостойкость и хемостойкость боропластиков определяются в основном соответствующими показателями связующих. Их высокая стойкость к действию активных сред, эксплуатационных воздействий (влаги, смазочных материалов), атмосферных факторов в течение 10 лет снижается не более чем на 10...15%.

Из-за высокой стоимости борных волокон боропластики весьма дороги. Они применяются как конструкционные материалы с высокими удельными механическими характеристиками для изготовления высоконагруженных деталей в наиболее ответственных изделиях - летательных аппаратах, космической технике, так как позволяют существенно снизить массу изделия.

Антифрикционные композиционные материалы на основе полимеров предназначены для работы в паре с металлическими поверхностями в присутствии жидкостей, не обладающих смазочным действием (водой и др.). Однако некоторые их виды могут использоваться и при работе в присутствии органических смазочных материалов, если последние не вызывают набухания антифрикционного слоя.

К данным материалам относятся как наполненные реактопласты, так и термопласты с наполнителем. Основа термореактивных антифирикционных материалов - фенолоформальдегидные, эпоксидные, эпоксикремнеорганические, фурановые смолы. Антифрикционные термопласты - полиэтилен высокой плотности, полиамиды, полиацетали (полимеры и сополимеры формальдегида), полиарилаты, полиимиды, фторполимеры (фторопласты). ПКМ на основе фторопластов обычно применяют без смазки. Для повышения триботехнических свойств в антифрикционные материалы в качестве дисперсных наполнителей вводят графит, дисульфид молибдена, гексагональный нитрид бора, фторопласты, графитированные углеродные волокна, металлические порошки и другие наполнители.

В качестве антифрикционных ПКМ используются также армированные пластики на основе резаных волокон, тканей, нетканых материалов - прессованные пластики, текстолиты, намотанные изделия (втулки), а также древесина твердых пород, древесные пластики. Высокие триботехнические свойства имеют волокнистые антифрикционные слои, изготовленные на основе двух- и многослойных тканей. Антифрикционный лицевой слой изготовляют из фторопластовых нитей, тогда как нижний слой состоит из обычных волокон, позволяющих приклеивать материал к твердой поверхности.

Углеграфитовые антифрикционные ПКМ изготовляют на основе пористых углеродных ПКМ и углерод-углеродных волокнистых материалов.

Получение антифрикционных полимерных материалов основывается на обычных методах переработки: прессовании, литьевом прессовании, намотке и др.

Триботехнические свойства антифрикционных материалов в паре с металлическими поверхностями определяются их составом - они отличаются сравнительно низким коэффициентом трения и малой степенью износа. Из антифрикционных ПКМ изготовляют вкладыши, направляющие втулки, подшипники и другие детали узлов трения, работающих в паре с металлическими полированными поверхностями. Они используются для работы в условиях сухого трения или жидкостного трения с водой и другими несмазывающими жидкостями. Возможно применение и органических смазочных веществ, если они не вызывают набухания антифрикционного материала. Фторопластовые антифрикционные материалы не требуют применения смазок.

Фрикционные композиционные материалы изготовляют с использованием термостойких волокон и реактопластов - главным образом на основе асбестовых, углеродных, арамидных, стеклянных, базальтовых высокомодульных волокон. Связующими служат термостойкие смолы - фенольные, модифицированные фенольные с содержанием каучуков и других ингредиентов. В качестве наполнителей используются барит, сурик, кремнезем, сернистый молибден и др. Важным компонентом является медная или латунная проволока, стружка или, реже, порошок, необходимые для интенсификации теплоотвода и снижения температуры поверхности трения.

Фрикционные ПКМ должны обладать стабильным коэффициентом трения в пределах 0,25...0,5, высокой износостойкостью и термостойкостью. Интенсивность их изнашивания в условиях большого диапазона скоростей скольжения и нагрузок не должна превышать I = h/L = 10-7 (где h - толщина истертого слоя; L - путь трения). Полимерные фрикционные материалы применяются в условиях эксплуатации среднего уровня: при температуре на поверхности трения до 400...500°С, в объеме тела - не выше 200...250°С. Из-за вредности продуктов истирания ПКМ содержащих асбест, их применение сокращается, а в ряде стран запрещено.

Полимерные фрикционные материалы используются в основном для изготовления тормозных накладок и колодок, дисков и муфт сцепления в транспортных средствах, прессового оборудования, швейных машин и других устройств и механизмов, требующих быстрой и надежной остановки или плавного запуска в действие.

Существуют особые виды фрикционных ПКМ, работающих в тяжелых и сверхтяжелых условиях эксплуатации. Примером наиболее устойчивого к тяжелым условиям эксплуатации полимерного фрикционного материала является гетинакс, получаемый методом горячего прессования композиции из асбестового наплнителя, молотого барита, латунной стружки и фенолоформальдегидной смолы, работающий при температуре поверхности трения до 600°С. Еще более устойчивыми в сверхтяжелых условиях эксплуатации являются фрикционные ПКМ на основе углеродных волокон, графита и термостойких смол, способные работать в паре как с металлическим контртелом, так и с одноименной углеродной парой, в частности, в авиационных тормозах.

Выводы :

В представленном обзоре рассмотрены основы материаловедения волокнистых полимерных композиционных материалов, получаемых на основе различных видов армирующих химических волокон, волокнистых наполнителей на их основе и различных матриц: термопластов и реактопластов. Приведены свойства различных видов ВПКМ: органопластиков, арамидопластиков, стеклопластиков, углепластиков, боропластиков и др.

На основе проведенного рассмотрения резюмированы особенности полимерных волокнистых композитов по сравнению с другими материалами, которые можно суммировать в виде следующих основных положений:

1. Сочетание различных видов волокнистых наполнителей и матриц (связующих) позволяет регулировать свойства ПКМ в широком диапазоне, выбирая оптимальные показатели для изделий широкого спектра применения.

2. Изделия из волокнистых ПКМ маломатериалоемки, технологичны в получении, переработке и обработке по сравнению со многими традиционными материалами, в частности металлами и керамикой.

3. Изделия из волокнистых композитов имеют высокую эксплуатационную надежность, практически не подвержены коррозии и не требуют специальной защиты или периодической покраски их поверхности.

По удельным массовым характеристикам волокнистые ПКМ могут во много раз превосходить изделия из традиционных материалов (металлов и др.). Поэтому массовые характеристики изделий из волокнистых композитов могут быть существенно снижены, что особенно важно для применения их в транспортных средствах, летательных аппаратах, средствах спасения, спортивном инвентаре.

Благодаря особенностям свойств и многим положительным эксплуатационным особенностям волокнистые ПКМ имеют большое будущее в самых различных областях и сферах применения.

ПРИМЕЧАНИЯ

Обзор подготовлен автором по материалам собственных публикаций, в которых читатели могут найти более полные сведения по затронутым вопросам:

Перепелкин К.Е. Полимерные волокнистые композиты, их основные виды, принципы получения и свойства // Химические волокна, 2005, № 4, с. 7 - 22.; № 5 - С. 55-69; 2006, №1 - в печати.

Perepelkin K.E. Polymeric Fibre Composites, Fundamental Types, Principles of Manufacture and Properties // Fibre Chemistry, 2005, V. 37, No 4. - P. 241-260; No 5; 2006, v. 38, No 1 - in press.

_________________________________________________________________________________________________________

1 Критический размер или критическая длина определяется тем, выполняет ли наполнитель роль армирующего, т.е. повышающего механические свойства, или служит для улучшения других функциональных характеристик, например, изменения электрических, фрикционных или других свойств, а также удешевления композита

Технический текстиль №13, 2006

Данный материал получен с сайта:

М.Ю. Яблокова

Методическое руководство

Москва 2011

Редакционный совет:

Проф. Авдеев В.В., Лазоряк Б.И., Тепляков В.В.

Методическое руководство к задаче лабораторного практикума «Полимерные композиционные материалы: методы получения» предназначено для: студентов 4 курса химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова в рамках общего курса “Химическая технология” и слушателей магистерской программы «Менеджмент наукоемких технологий»

Настоящее методическое руководство подготовлено в рамках приоритетного национального проекта «ОБРАЗОВАНИЕ» «Формирование системы инновационного образования в

МГУ имени М.В. Ломоносова»

Введение …………………………………….…………………………...……….4

Теоретическая часть

Структура и свойства ПКМ …………………………………………………..5

Эпоксидные смолы - полимерные матрицы для ПКМ …………………..12

Отвердители для эпоксидных смол …………………………………………16

Получение композиционных материалов………………………….....…….25

Экспериментальная часть

Методика получения ПКМ методом вакуумной инфузии ……….……..41

Техника безопасности ………………………………………………..……….52

Контрольные вопросы ……………………………………………….……….53

Введение

В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) находят широкое применение, и они занимают все расширяющеюся нишу среди конструкционных материалов.

Это связано с тем, что развитие полимерной химии и методов исследования структуры и морфологии полимерных матриц, используемых в ПКМ, позволяет решать любые технологические задачи направленного создания композитов с требуемым уровнем свойств.

Таким образом, существенное облегчение конструкции или изделия на основе ПКМ делают такие материалы незаменимыми и встает вопрос о применении новых технологий их получения, выгодных с точки зрения трудо- и энергозатрат.

Среди известных на сегодня методов получения ПКМ особое внимание разработчиков привлекают методы на основе технологий RTM (Resin Transfer Moulding), и особенно метод вакуумной инфузии, который при простом аппаратурном оформлении дает возможность изготовления крупногабаритных деталей за один технологический прием, например корпусов лодок и яхт.

Методические указания разработаны с целью ознакомления учащихся со способами получения ПКМ.

Методические указания содержат теоретические основы получения получения ПКМ различными методами, применяемые эпоксидные смолы и отвердители, описание получения ПКМ методом вакуумной инфузии в лаборатории, которое необходимо выполнить практически.

Для успешного выполнения работы необходимо ознакомиться с теоретической частью, изложенной в методических указаниях, строго следовать алгоритму работы в отношении последовательности выполнения операций при проведении экспериментальной работы.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Структура и свойства ПКМ

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) – это гетерогенные системы, состоящие из двух или более компонентов, причем одни из компонентов являются армирующими составляющими, а другие – связующими их полимерными матрицами. Компоненты композитов должны быть хорошо совместимы, однако не должны растворяться друг в друге. Композиционному материалу присущи свойства, которыми не обладает ни один из его компонентов в отдельности, рис.1.

Классификация наполнителей для ПКМ приведена на рис.2.

В зависимости от типа наполнителя можно получать ПКМ с большим разнообразием характеристик и свойств для различного применении, рис.3.

Максимальная степень реализации свойств наполнителя и полимерного связующего в ПКМ может быть достигнута организацией эффективного межфазового адгезионного взаимодействия компонентов на границе их раздела.

Рис.1. Влияние типа наполнителя на прочностные свойства ПКМ

Рис.2. Классификация ПКМ

σ т -предел текучести при растяжении, Е Р -жесткость, Н Б -твердость по Бринелю, Т В -теплостойкость по Вика,

Е П -модуль ползучести

Рис.3. Характеристики ПКМ

Для оптимальной реализации всего комплекса свойств полимерного композиционного материала необходимо создать прочное взаимодействие матрицы и волокна по всей площади их контакта. При разработке ПКМ особое внимание необходимо уделять границе фаз между волокном и матрицей. Зачастую граница раздела фаз (Межфазный слой) является наиболее слабым местом материала, и именно здесь начинается разрушение как при механических нагрузках, так и при других воздействиях (под влиянием внешней атмосферы, воды и прочих). Согласно литературным данным, одними из лучших способов усиления адгезионного взаимодействия, являются: нанесение на поверхность волокна подслоя полимерного, низкомолекулярного или мономерного вещества; аппретирование волокон; введение межфазных добавок в связующее.

Добиться этого достаточно сложно, поскольку такое взаимодействие зависит от многих факторов и, в частности, от состава связующего, строения волокна, технологии изготовления композиционного материала. Улучшению взаимодействия волокна со связующим способствуют аппреты - вещества, влияющие на структуру, свойства и протяженность межфазного слоя. Роль аппретов в формировании межфазного слоя велика: они многократно увеличивают площадь контакта волокнистого наполнителя со связующим, которая достигает 600 мм 2 в 1 мм 3 волокна.

Формирование межфазного слоя происходит в течение определенного времени, причем длительность процесса зависит от вязкости связующего, его молекулярной массы, физико-химических свойств, скорости его отверждения, размеров и структуры пор в волокне и, наконец, свойств аппрета. На рис. 4 приведена модель межфазного взаимодействия в ПКМ, при котором наблюдается изменение толщины поверхностного слоя волокна и образование измененной структуры матрицы.

Рис.4 Модель межфазного слоя в армированном полимере

Для производства армированных ПКМ с заданными свойствами необходимо целенаправленно регулировать структуру и объем граничного слоя путем правильного выбора аппрета для армирующего волокна с учетом свойств связующего.

Типы полимерных матриц

Разработка полимерных матриц для ПКМ - серьезная и важная проблема, поскольку многие свойства ПКМ определяются матрицей. В первую очередь именно матрица связывает волокна друг с другом, создавая монолитный конструкционный материал. Насколько реализуются высокие механические свойства волокон, зависит от таких свойств матрицы, как прочность, жесткость, пластичность, вязкость разрушения, ударная вязкость.

Основные требования к связующим для производства армированных полимерных композитов состоят в следующем :

· хорошее смачивание армирующего наполнителя;

· высокая адгезия к армирующему наполнителю;

· низкая усадка при отверждении;

· высокая прочность в отвержденном состоянии;

· регулируемое во времени отверждение при комнатной температуре;

· отсутствие летучих компонентов;

· длительная стабильность при хранении;

· высокие эксплуатационные характеристики (теплостойкость, светостойкость, водостойкость, химическая стойкость и др.);

· низкая стоимость;

· возможность простой утилизации отходов.

Полимерные связующие делятся на два основных класса: термореактивные(реактопласты) и термопластичные . Первые обычно представляют собой сравнительно низковязкие жидкости, которые после пропитки армирующего материала (волокон, нитей, лент, тканей) за счет химических реакций превращаются в неплавкую твердую полимерную матрицу. В качестве олигомеров для получения связующих применяют полиэфирные, эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и другие смолы.

В композицию, используемую для пропитки, помимо связующего, входят отвердитель, ускоритель отверждения, и другие добавки, регулирующие свойства смолы и, в конечном счете, будущего готового продукта - стеклопластика.

Сравнительные свойства ПКМ на основе стеловолокнистого наполнителя, с применением в качестве связующего олигомерных смол, приведены в табл. 1.

Таблица. 1: Свойства стеклопластиков на основе термореактивных связующих

Как видно из приведенных в табл. 1 данных, стеклопластики на основе эпоксидных смол обладают более высокой прочностью при всех видах нагружения. Кроме того, они имеют более высокую выносливость при различных нагрузках.

Инжекция смолы в форму

При изготовлении средних и крупных партий изделий целесообразно применить метод инжекции смолы в закрытую форму. Суть метода заключается в том, что между двумя матрицами укладывается сухой, предварительно раскроенный стекломатериал. Под давлением впрыскивается смола. Поскольку главная проблема - эмиссия стирола, качество изделия и квалифицированные рабочие, инжекция смолы в форму предлагает решение этих проблем

Данный метод требует определённых финансовых затрат, как на изготовление оборудования непосредственно для впрыска смолы и вспомогательного оборудования, так и на изготовление матрицы и пуансона, рис.8.

Рис.8. Инжекция смолы в форму

Данный технологический способ можно описать как инжекцию жидкой эпоксидной (также возможно: полиэфирной, полиуретановой, феноловой) смолы через армирующий материал, уложенный между матрицей и пуансоном. Технология предназначается для крупносерийного производства. Отрицательной стороной данного способа можно назвать определённые трудности при производстве крупногабаритных «сэндвич» изделий, требующих большого количества армирующего материала.

Тем не менее, Метод инжекция смолы в форму широко распространен и такой RTM-процесс обладает рядом преимуществ:

• Благодаря тому, что изделие изготавливается между матрицей и пуансоном, все стороны изделия имеют гладкую поверхность.
• Минимизированы отходы материалов.
• Точные размеры и отличное воспроизводство изделий.
• Возможность использования повышенного содержания стеклонаполнителя, что, вместе с отсутствием воздушных включений в стеклопластике, значительно повышает физико-механические свойства изделия.
• В несколько раз сокращается время изготовления, увеличивается оборачиваемость оснастки.
• Уменьшается количество рабочих, снижаются требования к квалификации.
• Резко снижается выделение вредных веществ в атмосферу.

Метод вакуумной инфузии

Процесс вакуумной инфузии смолы - это технология, при которой смола подаётся на ткань с помощью вакуума. Сухой пакет материалов укладывается в матрицу. Прежде чем вводить смолу, конструкция герметично накрывается вакуумной плёнкой или помещается в вакуумный мешок. После этого к ней подсоединяется вакуумный насос. Как только достигнут вакуум, необходимый в зависимости от выбранного типа смолы и рекомендации производителя, смола с введенным в нее отвердителем, подаётся на ткань через подсоединённую трубку, опущенную в ёмкость со смолой, рис.9.

Рис. 9 Схема создания ПКМ методом инфузионного формования

Не маловажным является место ввода смолы. Возможны два варианта, рис.10. Первый предполагает ввод смолы в центр изделия. Второй - с периферийной его части. Для получения качественного изделия используют второй метод. Это позволяет смоле лучше войти в материал и течь по нему.

Рис. 10. Регулирование системы подачи смолы

Соотношение волокна и смолы, достигнутое в процессе вакуумной инфузии, лучшее, чем результаты типичной ручной пропитки, комбинированной с последующим вакуумным откачиванием, производимым после нанесения смолы. Сама по себе смола очень хрупкая, поэтому любой избыток смолы значительно ослабляет деталь. Результат откачивания зависит от разных переменных, включая давление, тип смолы и продолжительность процесса.

Преимущества технологии вакуумной инфузии:

§ Позволяет автоматизировать производство, что уменьшает случайный характер вмешательства человека

§ Сокращает и контролирует количество используемого сырья

§ Снижает влияние материла на экологию

§ Улучшает условия труда

§ Позволяет создавать относительно прочные изделия, за счет лучшей пропитки.

§ Относительно дешевое оборудование

Процесс вакуумной инфузии имеет и ряд недостатков, требующих определенных расчетов.

§ Большой разброс в свойствах материала

§ Внутренние воздушные пустоты

§ Изменения вязкости смолы в процессе пропитки

Предполагают, что смола, заполняющая пространство армирующего материала, подчиняется закону Дарси (течение жидкости в пористой среде).

Течение смолы через армирующий наполнитель моделируется законом Дарси, который устанавливает линейное отношение между скоростью потока и градиентом прикладываемого давления. С учетом гравитационных сил, которые необходимо учитывать при моделировании вакуумной инфузии крупногабаритных изделий, закон Дарси записывается следующим образом:

где k – эффективная проницаемость наполнителя, м 2

µ – динамическая вязкость связующего, Па*с;

ρ – плотность связующего, кг/м 3

g – вектор ускорения свободного падения, м/с

w х – вектор скорости движения связующего в пористой среде, м/с;

P – давление, Па.

В уравнение движения, описывающее течения связующего сквозь армирующий наполнитель входит вязкость связующего µ, которая в процессе термического отверждения композитов на основе термореактивных связующих может быть представлена уравнением в виде температурной зависимости Аррениуса. Она в значительной мере зависит от температуры и степени отверждения и содержит реологические характеристики системы связующее–наполнитель: энергию активации вязкого течения E µ (β), эффективную или структурную составляющую вязкости связующего при отверждении µ(β) , а также коэффициент проницаемости наполнителя k тк или впитывающего материала k вс, которые можно определить экспериментально.

Из приведенных характеристик µ(β) и E µ (β) являются функциями степени отверждения, две других – k тк, k вс – константами.

В результате вводится только минимальное количество смолы, необходимое на пропитку изделия. Это снижает вес, повышает прочность и улучшает соотношение волокон и смолы.

Данная технология широко применяется на практике не только в формостроении, но и при изготовлении непосредственно конечных изделий в кораблестроении, ветроэнергетике, автомобилестроении, в частности при тюнинге.

Несмотря на то, что время подготовки не ограничено, она достаточно сложная. Необходимо сделать подвод вакуума и входы смолы, а также разведение смолы по изделию. Размещение вакуумных и смоляных линий на разных деталях производится по-разному, и нет единой методики по их установке. Эти решения должны быть приняты до выкладки армирующего вещества в оснастку. Неверные расчеты могут привести к порче изделия.

Литьё

Данный технологический способ можно описать как подачу жидкой полиэфирной смолы (с высоким содержанием дисперсного наполнителя) в форму. Технология предназначается для производства санитарно технического оборудования и декоративных изделий большой толщины. Явным преимуществом этого процесса является идеальная внешняя поверхность, отрицательной стороной - большой вес изделия и его хрупкость.

Метод пултрузии

Пултрузия - это технология производства конструкционных профильных изделий из одноосно-ориентированных волокнистых пластиков непрерывным способом. Она подобна экструзии алюминия или термопластов. Во всех трех случаях производятся профильные изделия с постоянным поперечным сечением из соответствующего материала, рис.13.

Рис.13. Схема пултрузии. 1 – шпулярик; 2 – пропиточная ванна; 3 – формующая матрица; 4 – камера термообработки; 5 – камера охлаждения; 6 – транспортирующий блок; 7 – резательное устройство.

Технология получила свое название от английских слов «pull» - тянуть и «extrusion» - экструзия. Пропитанный полимерным связующим наполнитель (жгут, холст, тканая лента, стекловолокно, углеволокно, органоволокно) протягивается через нагретую формообразующую фильеру. В качестве полимерных связующих чаще всего используются эпоксидные смолы, ненасыщенные полиэфиры, термопласты.

Основные преимущества:

Это может быть очень быстрый процесс пропитки и отверждения материала.

Автоматизированное управление содержанием смолы в ПКМ.

Недорогие материалы.

Хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание наполнителя.

Закрытый процесс пропитки волокна.

Основные недостатки:

Ограниченная номенклатура изделий.

Дорогое оборудование.

Метод намотки

Получение изделий методом намотки состоит из следующих основных этапов, рис.14:

Подготовка исходных материалов : выбор подходящего типа углеродных армирующих материалов (нитей, жгутов) и установка их на шпулярник;

Выбор связующего с отвердителем и другими компонентами полимерной матрицы и заполнение ими пропиточной ванны;

Подготовка оправки : установка ее на намоточный станок, очистка поверхности оправки от загрязнений и покрытие оправки составом на основе фторополимеров или кремнийсодержащих соединений для улучшения последующего отделения изделия.

Намотка . В зависимости от заданной схемы армирования подбирают соотношение скорости вращения оправки и скорости перемещения траверсы, несущей шпулярник с нитями или жгутами; скорость намотки обычно составляет 10-30 м/мин.

Рис.14. Получение ПКМ методом намотки: 1 - шпулярник, 2 - пропиточная ванна, 3 - отжимные валки, 4 -оправка

Отверждение. Его осуществляют в термокамере при соответствующей температуре, в процессе отверждения желательно продолжать вращение оправки.

Извлечение оправки из изделия, выполняемое с помощью специ­альной машины (кабестана).

Окончательная отделка изделия : зачистка и обработка его торцов

Метод препрегов

Препрег – это материал-полуфабрикат, получаемый пропиткой армирующей волокнистой основы (лент, жгутов, тканей) точно дозированным количеством равномерно распределенного полимерного связующего. Пропитка волокнистого материала осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-механические свойства армирующего материала и обеспечить однородность свойств ПКМ, получаемого на основе препрега.

Существует два способа изготовления препрегов: вручную и на специальной пропиточной машине.

В первом случае армирующий материал в виде ткани или однонаправленной ленты пропитывается вручную. Связующее обычно наносится с помощью кисти или валика, как показано на рис.15.

Рис.15. Способ приготовления препрега вручную

Для изготовления препрега вручную армирующий материал (ткань или однонаправленную ленту) необходимо нарезать на пластины; положить материал на полиэтиленовую пленку, залить его рассчитанным количеством связующего, накрыть полиэтиленовой пленкой и с помощью валика распределить связующее по всех поверхности армирующего материала. Полученный препрег является основой для изготовления ПКМ.

Рис.16. Получение препрегов на пропиточной машине

В случае использования специальной пропиточной машины возможно изготовление препрегов из тканей различного переплетения или из однонаправленной ленты растворным способом, рис.16.

Преимущества и недостатки метода получения ПКМ из препрегов:

Могут быть получены ПКМ с высоким содержанием наполнителя и с минимальным содержанием пустот.

Хорошие условия труда и окружающая среда. Нет большого выброса вредных веществ.

Возможность автоматизировать процесс и снизить трудовые затраты.

При этом основные недостатки:

Высокая стоимость материалов.

Для получения ПКМ на основе препрегов необходима стадия отверждения, которая обычно проходит в автоклавах или печах, которые ограничивают размеры выпускаемых изделий.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Подготовка связующего и подача его в пакет

1. В пластиковый стакан взвесить заданное количество эпоксидной смолы.

2. В другую емкость взвесить заданное количество отвердителя.

3. Медленно, при перемешивании влить отвердитель в эпоксидную смолу.

5. Для подачи связующего, в связующее опустить до дна силиконовую трубку, закрытую пробкой и затем обрезать трубку у основания пробки ножницами. В случае использования зажима, открыть его. При этом в пакет начнется подача связующего. При израсходовании всего связующего или по окончании времени пропитки силиконовую трубку пережать зажимом.

6. Вакуум не отключать.

7. В течение 20-30 мин. происходит смачивание всего сухого наполнителя связующим.

Техника безопасности

1. При проведении работ использовать индивидуальные средства защиты: халат (передник), резиновые перчатки.

2. Работу проводить при включенной вытяжной вентиляции.

3. На рабочем месте не допускается использование индивидуальных аудиоустройств (наушников), прием пищи и напитков.

4. При работе с электроприборами соблюдать осторожность, при обнаружении неисправности прибор не включать.

5. При работе с режущими инструментами соблюдать осторожность и не создавать скученности.

6. Операции по подготовке связующего проводить в специально отведенном месте – в вытяжном шкафу, после окончания работы протирать стол и инструменты растворителем.

7. В случае задымления или возгорания следует покинуть помещение без паники и оповестить руководителя подразделения.

Контрольные вопросы

1. .Какие способы получения ПКМ вы знаете?

2. Отличия технологии RTM и вакуумной инфузии.

3. Типы связующих используемых в процессах вакуумной инфузии.

4. Какие изделия получают методом вакуумной инфузии?

5. Какие преимущества и недостатки метода вакуумной инфузии перед другими? Привести одно сравнение.

6. Как проводят расчеты при моделировании процесса вакуумной инфузии.

7. Какие изделия из ПКМ производят методом вакуумной инфузии?

8. Преимущества и недостатки применения эпоксидных смол в качестве компонента связующего для матрицы ПКМ?

9. Какие функциональные группы в эпоксидной смоле?

10.Какие отвердители используют для отверждения эпоксидных смол?

11. Механизм отверждения аминами.

12. Механизм отверждения ангидридами.

13. Отличия механизмов отверждения аминами и ангидридами

14. Какие вспомогательные материалы используют при сборке технологического пакета при проведении вакуумной инфузии?

1. Справочник по композиционным материалам: В 2-х книгах. Под редакцией Дж. Любина. Перевод с английского.

2. Ли Х., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам. 1973 г.

3. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты.

4. Кочнова З.А., Жаворонок Е.С., Чалых А.Е. Эпоксидные смолы и отвердители - промышленные продукты. 2006 г.

М.Ю. Яблокова

Полимерные композиционные материалы: методы получения

Методическое руководство