Машиностроении полимерных композитов

Среди полимерных композитов конструкционного назначения наибольшее распространение нашли: стеклопластики, углепластики, органопластики и боропластики, а также гибридные материалы. По статистике (на 1995 год) процентное соотношение применения композитов в конструкции летательных аппаратов приблизительно следующее.

В группе ПКМ: стеклопластик – 42%, углепластик – 30%, органопластик – 27%, боропластик менее 1%.

В группе МКМ более 90% занимает бороалюминий. Другие композиции используются реже.

В качестве связующего в подавляющем большинстве случаев используются компаунды на основе эпоксидных, фенолформальдегидных или полиэфирных смол.

Стеклопластики - это материалы, в которых упрочняющим наполнителем является стеклянное волокно. Арматура представлена, чаще всего, в виде тканей полотняного, сатинового или саржевого плетения, находит применение также в виде ленты, жгута, тканей объемного плетения, стекломатов или в виде сеток с разным размером ячейки.

Толщина армирующей ткани от 0,1 до 0,3 мм. Ткани грубого плетения, выполненные из нитей, соединенных в ленты (рогожа), могут быть толщиной до 0,5 мм. Плотность стеклоарматуры находится в пределах 2,1-2,6 . Стеклопластики обладают высокой прочностью и стойкостью к тепловому, химическому и биологическому воздействию. Прочность при нагреве ограничивается возможностями полимерной матрицы.

Арматура на основе стекла обладает высокой технологичностью. Позволяет создавать ткани различного переплетения, укладывается на поверхности сложной формы и позволяет осуществлять изгиб на малый радиус. Процессы формования из стеклопластиков наиболее хорошо отработаны.

Стоимость стеклоарматуры невелика – самая низкая в сравнении с другими армирующими материалами.

Механические свойства стекловолокон приведены в табл.1.3.

К недостаткам стеклопластиков следует отнести высокую степень водопоглощения наполнителя, особенно для полых волокон, а также относительно высокую плотность в сравнении с другими ПКМ.

Углепластики– это материалы на основе углеродных волокон. В качестве арматуры используется ровинг в виде ленты из однонаправленных нитей толщиной 0,005-0,01 мм, скрепленных через 5-10 мм поперечной нитью. Ширина

Таблица 1.3

Марка стекла	Плотность r, г/см3	Модуль упругости Е, ГПа	Средняя прочность sср, ГПа	Предельная деформация e, %
Россия Высокомодульное:
ВМ-1 (ВМП)	2,58		4,2	4,8
УП-73	2,40		-	-
Кислотостойкое N7-А	2,56		2,0	3,6
США
Е-стекло (алюмоборо- силикатное)	2,54	73,5	3,5	4,8
М-стекло	2,89		3,5	3,2
S-994	2,49		4,8	5,4
D-стекло	2,16	52,5	2,45	4,7
А-стекло (известково- натриевое)	2,49		2,4	4,0
L-стекло (свинцово- силикатное)	4,30		1,7	4,6

ленты может быть от 5 до 400 мм. Применяется также ткань в виде рогожи саржевого плетения шириной до 1 м и толщиной от 0,2 до 0,35 мм.

Углеродные волокна близки по прочности к стеклянным, однако обладают меньшей плотностью – от 1,7 до 2,0 . За счет этого углепластики обладают большей удельной прочностью. Их удельная жесткость также превышает показатели стеклоарматуры. В табл.1.4 приведены прочностные характеристики некоторых углеволокон, выпускающихся в разных странах.

Современные углепластики обладают следующими преимуществами: низким коэффициентом теплового расширения, высокими усталостными характеристиками и коррозионной стойкостью. Армирующие волокна имеют высокую теплостойкость и работа конструкции при высокой температуре ограничивается, в основном, возможностями связующего. Определенные перспективы открываются при использовании в качестве матрицы бисталеамидных и полиамидных полимеров. Рабочая температура углепластиков на полиамидной освнове имеет диапазон от 530°С при кратковременном воздействии и до 230°С при воздействии в течение 70000 часов. Особенностью углепластика является также его электропроводность.

Таблица 1.4

Марка углеволокна	Плотность r, г/см3	Модуль упругости Е, ГПа	Средняя прочность sср, ГПа	Предельная деформация e, %
Россия
ВММ-4	1,71		2,21	0,8
Кулон	1,9	400...600	2,0	0,4
ЛУ-4	1,7		3,0...3,5	1,3
Урал-24	1,7...1,8	150...200	1,7...2,0	1,1
Элур	1,6		2,0	1,3
США
Торнел-800	1,8		5,46	2,0
Магнамит-А6	1,8		4,47	1,6...1,8
Целион Т	1,77		4,34	1,8
Фортафил 5Т	-		2,76	1,0
Хитекс 46Н	1,8		5,6	1,7
Япония
Карболон	1,95		2,42	0,6
Бесфайт НТ	-		3,3	1,3
Торейка Т-800	1,8		5,6	1,9
М-40	1,81		2,74	0,6

К недостаткам углепластиков следует отнести высокую хрупкость и стоимость, существенно превышающую стоимость стеклопластиков. Углепластик уступает стеклопластику по технологичности, номенклатура армирующих тканей на основе угленитей значительно меньше, чем у стекловолокон.

Органопластики – это полимерные композиционные материалы, армированные волокнами, полученными на основе ароматических полиамидов (арамидов).

Армирующие структуры имеют вид тканей полотняного и саржевого переплетения толщиной от 0,1 до 0,25 мм. Используются жгуты и узкие ленты арамидных волокон.

Высокомодульные и высокопрочные арамидные волокна обладают высокими прочностью при растяжении и модулем упругости, термостабильностью, позволяющей эксплуатировать их в широком температурном интервале, хорошими усталостными свойствами и незначительной ползучестью. Благодаря низкой плотности (1,43-1,45 к ) арамидные волокна по удельной прочности превосходят все известные в настоящее время армирующие волокна и металлические сплавы, уступая лишь по удельному модулю упругости углеродным и борным волокнам (табл.1.5).

Таблица 1.5

Марка волокна	Плотность r, г/см3	Модуль упругости Е, ГПа	Средняя прочность sср, ГПа	Предельная де- формация e, %
Россия
ВНИИВЛОН	1,43	110...130	2,1...2,6	3...5
СВМ	1,43	125...135	3,8...4,2	3...4
Терлон	1,45	130...160	3,3...3,6	2,7...3,5
США
Кевлар	1,45		2,7	4,5
Кевлар-29	1,45	60...70	2,8...3,3	4,5
Кевлар-49	1,45	130...140	3,6...3,8	2,7...3,5
Голландия
Аренка	1,45	130...150	3,3...3,6	2,7...3,5

Органопластики превышают также стекло и особенно углепластики по вязкости.

Недостатками материалов на основе органонитей является сравнительно небольшая номенклатура тканей на их основе и высокая стоимость.

Боропластики – это материалы, армированные борными волокнами или борными нитями. Плотность – 2,5 к . Структура армирующего материала представлена, чаще всего, в виде параллельно направленных волокон большой толщины, от 90 до 110 мкм. В виде тканей или других плетеных структур борная арматура на практике не используется.

Поскольку диаметр волокон бора велик, то их число в единице объема материала в 15-20 раз меньше, чем в других ПКМ. Следовательно, возрастает роль каждого волокна в восприятии внешней нагрузки. Ослабление боропластика при разрыве одного борного волокна эквивалентно ослаблению, вызванному разрушением в одной плоскости сечения 150-200 стеклянных или органических волокон.

Композиты на основе борных волокон имеют высокие прочностные и усталостные характеристики и очень высокую жесткость. Физико-механические свойства борных волокон представлены в табл.1.6.

Таблица 1.6

Плотность r , кг/	Разрушающее напряжение , МПа	Модуль упругости , МПа	Относительное удлинение при разрыве, %	Коэффициент Пуас- сона m	Микротвердость Ст , МПа	Предел выносливости на базе циклов, МПа
при растяжении	при изгибе	при растяжении	при изгибе
2,5	245-373	589-638	38-42	15,7-18	0,6-1,0	0,2-0,25	39-42	(0,6-0,7)

С повышением температуры прочность и модуль упругости волокон бора почти не изменяется вплоть до 400°С.

Недостатками боропластиков является заметный статистический разброс по параметрам прочности (до 30%), сравнительно низкая технологичность, особенно при изготовлении деталей с малыми радиусами кривизны. Радиус изгиба ограничивается 100-150 мм. Верхний предел давления прессования ограничивается хрупкостью и толщиной борного волокна, а также быстрым абразивным износом поверхности металлических форм. Затруднена также механическая обработка боропластиков.

Гибридные ПКМ представляют собой композиты, армированные волокнами или тканями из нескольких материалов в различных сочетаниях. Например, чтобы придать детали высокую жесткость при соблюдении условий достаточной вязкости, углеродную арматуру комбинируют с органической или стеклянной.