Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [ 20 ] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

Композиционные материалы на неметаллической основе. Их преимуществом по сравнению с композиционными материалами на металлической основе являются хорошая технологичность, низкая плотность и в ряде случаев более высокие удельные прочность и жесткость. Кроме того, материалы на неметаллической основе имеют и другие ценные свойства, высокую коррозионную стойкость, хорошие теплозащитные и амортизационные характеристики, антифрикционные и фрикционные свойства и др.

Для большинства композиционных материалов с неметаллической матрицей характерны следующие недостатки: низкая прочность связи волокна с матрицей, резкая потеря прочности при повышении температуры выше 100-200 °С, малая электрическая проводимость, отсутствие способности к сварке.

Среди неметаллических композиционных материалов наибольшее распространение получили композиции с полимерной матрицей: эпоксидной, фенолоформальдегидной и полиимид-ной. В качестве упрочнителей используют высокопрочные и высокомодульные углеродные и борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент, нетканых материалов.

Группы композиционных материалов, армированные однотипными волокнами, имеют специальные названия, данные им по названию волокна. Композиции с углеродными волокнами называются углеволокнитами, с борными - бороволокнитами, стеклянными - стекловолокнитами, органическими - органоволокнитами. Для органоволок-нитов используют эластичные (лавсан, капрон, нитрон) и жесткие (ароматический полиамид, винол) синтетические волокна.

Из-за быстрого отверждения и низкого коэффициента диффузии в неметаллической матрице (исключение соста-

вляют органоволокниты) в композиционных материалах нет переходного слоя между компонентами. Связь между волокнами и матрицей носит адгезионный характер, т. е. осуществляется путем молекулярного взаимодействия. Прочность связи, характеризуемая параметром Tq (Tq-прочность сцепления, -коэффициент контакта), повышается с увеличением критического поверхностного натяжения волокна (aj, характеризующего величину его поверхностной энергии. Для обеспечения высокой прочности связи между компонентами необходимо полное смачивание волокон (которое достигается, например, растеканием жидкого связующего по поверхности волокон); при этом энергия поверхности волокон должна быть больше поверхностного натяжения жидкой матрицы. Однако для жидких эпоксидных смол, обладающих лучшей адгезией к наполнителям среди других полимеров, энергия поверхностного натяжения составляет 5,0-10" * Дж/м, тогда как для углеродных волокон энергия поверхности находится в интервале (2,7 - -5,8)10"* Дж/м, а для борных она равна 2,0-10 * Дж/м. Энергию поверхности волокон повышают различными методами обработки их поверхности: травлением, окислением, вискеризацией. Например, после травления борных волокон в азотной кислоте их критическое поверхностное натяжение достигает сотен джоулей на квадратный метр. Из рис. 13,30 видно, что благодаря травлению критическое поверхностное натяжение борного волокна увеличивается и параметр Tq резко возрастает. Это говорит об увеличении прочности связи между волокном и матрицей.

По сравнению с другими полимерами, применяемыми в качестве матриц композиционных материалов, эпоксидные обладают более высокими механическими свойствами в интервале температур от -60 до 180 "С, что обеспечивает композиционным материалам более высокие прочностные характеристи-




0,2 0,3 0,и 0,5

Рис. 13.30. Зависимость параметра То боро-пластика от критического поверхностного натяжения борных волокон

ки при сжатии и сдвиге. Они отвер-ждаются при сравнительно невысоких температурах с небольшой усадкой, позволяющей изготовлять из композиционных материалов на их основе крупногабаритные детали. При изготовлении деталей из композиционных материалов на основе эпоксидных матриц не требуется больших давлений, что особенно важно при использовании для армирования высокопрочных хрупких волокон, так как уменьшается вероятность их повреждения.

Эпоксидные матрицы уступают фено-лоформальдегидным и особенно полии-мидным в теплостойкости.

Одним из способов улучшения свойств композиционных материалов является увеличение жесткости матрицы с помощью введения в их структуру ионов металлов, которые усиливают взаимосвязь между полимерными молекулами. Как видно из табл. 13.6, введение в матрицу 15% ионов Ва или 7,6% ионов Ni повышает модуль упругости при изгибе полиметиленфенольной матрицы соответственно на 25 и 50%. При этом предел прочности при изгибе композиции, армированной стекложгутом, возрастает более чем в 14 раз, а материала, армированного углеродным волокном,-более чем в 16 раз. Увеличение прочности композиционных материалов объясняется не столько повышением прочности самой матрицы (она изменяется мало), сколько увеличением жесткости и адгезионной прочности ее сцепления с волокном.

Механические свойства некоторых одноосно-армированных волокнистых композиционных материалов представлены в табл. 13.7. Самую высокую прочность и удельную прочность имеют стекловолокниты. Временное сопротивление стекловолокнитов повышается приблизительно в три раза по мере увеличения объемного содержания напол-

ТАБЛИЦА 13.6. Влияние добавок иоиов Ва и Ni иа свойства одноосио-армироваииых композиционных материалов

Композиционный материал

Полиметиленфенольная матрица

Свойства

Без добавок

Ионы Ва (15%)

Ионы Ni (7,6%)

Модуль упругости при изгибе, МПа

Стекловолокнит Углеволокнит

2060* 44500 106000

2 580* 45000 107000

3100* 45600 108000

Разрушающее напряжение, при изгибе, МПа

Стекловолокнит Углеволокнит

81 *

87* 1260 1370

90* 1330 1520

Адгезионная прочность сцепления полиметиленфенольной матрицы со стекловолокном, МПа

Стекловолокнит

1580

2160

2280

* Свойства матрицы.



ТАБЛИЦА 13.7. Свойства одвоосно-армированных композиционных материалов с полимерной матрицей

Материал

р, т/м

Ов, МПа

Ов/Pg),

8, %

Е, ГПа

£/(pg)10--\ км

-1*. МПа

Карбоволокниты :

КМУ-1Л

КМУ-1у

1,47

1020

12,2

КМУ-lB

1,55

1000

11,5

КМУ-2в

Бороволокниты:

КМБ-lK

10,7

КМБ-2к

1000

КМБ-Зк

1300

12,5

Органоволокниты

с упрочнителем:

эластичным

1,15-1,3

100-190

8-15

10-20

2,5-8,0

0,22-0,6

жестким

1,2-1,4

650 - 700

Стекловолокниты

2100

* С1 1 определен на базе 10 циклов.

нителя до 80% и достигает 700 МПа при армировании непрерывными нитями (рис. 13.31). Дискретные волокна упрочняют менее эффективно. Уменьшение диаметра волокон, нанесение на них специальных покрытий, дополнительное введение в матрицу монокристаллов оксида алюминия способствуют повьшле-нию временного сопротивления стекло-волокнитов до 2000-2400 МПа. Они обладают хладостойкостью (до -196 °С) и хорошей теплостойкостью. Их используют для длительной работы в диа-

бв. МПа


40 60 80 то

Наполнитель, %

Рис. 13.31. Зависимость прочности стекло-волокнитов от содержания и вида наполнителя:

/ - непрерывное ориентированное волокно; 2 - короткое неориентированное волокно

пазоне температур 200-400 °С. Кроме того, благодаря демпфирующей способности они используются в условиях вибрационных нагрузок.

Достоинствами стекловолокнитов являются недефицитность и низкая стоимость упрочнителя, недостатком-сравнительно низкий модуль упругости. Однако по удельной жесткости они превосходят легированные стали и сплавы алюминия, магния и титана (2500-2800 км). Частичная замена стеклянных волокон на углеродные и увеличение доли последних вплоть до полной замены при общем постоянном содержании наполнителя вызывают повышение жесткости композиции (рис. 13.32). При полной замене модуль упругости увеличивается приблизительно в 3 раза и у карбоволокнитов достигает 180 ГПа. Однако временное сопротивление и удельная прочность при любом соотношении волокон не достигают уровня стеклопластиков.

Карбоволокниты обладают низкими теплопроводностью и электрической проводимостью, но все же их теплопроводность в 1,5-2 раза выше, чем у стеклопластиков. Они имеют малый и ста-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [ 20 ] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61