Структура композитов с полимерной матрицей
Композиты этого класса состоят из высокопрочных и высокомодульных волокон - непрерывных или дискретных, органического или неорганического состава, связанных между собой полимерным связующим на основе термореактивных или термопластичных смол. Их называют пластиками с добавлением к названию материала названия армирующих волокон.
Стеклопластики - это полимеры, наполненные стеклянными волокнами. Стеклянные волокна могут быть тонкими (диаметром 3-10 мкм), средними (30-50 мкм) и толстыми (150-200 мкм). В композите они могут содержаться в виде отдельных толстых волокон, жгутов, нитей, сеток, тканей, лент, войлоков или матов. Изучая макроструктуру изделия из стеклопластика, можно установить вид армирующего наполнителя, а исследуя структуру под микроскопом, определить форму и размеры элементарного волокна. Форма его может быть сплошной или полой, цилиндрической, треугольной, квадратной, прямоугольной, шестигранной, ленточной и т.д.
Материал матрицы визуально может быть определен только опытным специалистом, а более точно - химическим анализом и физическими методами исследований. Чаще всего в производстве стеклопластиков используются термореактивные связующие (полиэфирные, эпоксидные, фенольные, полиимидные и др.), но часто применяются и термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиамиды, фторопласты и др.).
Стеклопластики обладают высокими антикоррозионными и электроизоляционными свойствами, высокой прочностью при растяжении и изгибе, средней жесткостью, радио прозрачностью, устойчивостью к знакопеременным нагрузкам, хорошими теплозащитными свойствами.
Углепластики - это полимеры, наполненные углеродными волокнами. Углеродные волокна имеют малый диаметр (6-12 мкм), круглое или бобовидное сечение и могут находиться в композите в виде нитей, жгутов, лент, тканей, войлока, трикотажных изделий и др. Углеродные волокна, благодаря их низкой плотности (1900 кг/м3), обладают очень высокими удельными характеристиками прочности и жесткости, по показателям теплопроводности и электропроводности приближаются к металлам, обладают исключительно высокой теплостойкостью и химической стойкостью к большинству агрессивных сред.
Углеродные волокна обладают очень низким коэффициентом термического расширения, что позволяет изготавливать из углепластиков конструкции высокой размерной стабильности.
Существенным недостатком углеродных волокон является их низкая поверхностная энергия, отчего они плохо смачиваются полимерными связующими. Это проявляется, как следствие, в более низкой сдвиговой прочности композита. В качестве матриц для углепластиков применяют термореактивные и термопластичные связующие (как и для стеклопластиков).
Органопластики - это композиты, состоящие из полимерных волокон и полимерных матриц. Полимерные волокна могут быть природными (хлопок, вискоза) или синтетическими (капрон, лавсан, нитрон и др.), а матрицы - термореактивными, способными к холодному отверждению или при температурах, не приводящих к разупрочнению волокон. Из них наибольшее значение для изделий авиационной и космической техники имеют органопластики на основе волокон из ароматических полиамидов (кевлар-49, СВМ) и эпоксидных связующих. Армирующие волокна имеют диаметр 10 - 12 мкм и характеризуются самыми высокими среди органических волокон значениями прочности и модуля упругости при плотности, не превышающей 1450 кг/м3. Они не столь хрупки, как стеклянные или углеродные волокна, химически устойчивы к органическим растворителям и нефтепродуктам, обладают высоким электрическим сопротивлением, теплоизоляционными свойствами. В структуре органопластика армирующие волокна могут содержаться в виде нитей, жгутов, тканей, трикотажа, матов и др.
Боропластики - это полимеры, наполненные борными волокнами. Борные волокна отличаются от выше рассмотренных большим диаметром (100 - 200 мкм), большой изгибной жесткостью и прочностью, неравномерным составом по сечению. Сердцевина волокна диаметром 12 - 14 мкм состоит из вольфрама или углерода, далее следует переходный слой из интерметаллидов и затем тело волокна, состоящее из бора. Борные волокна обладают повышенной тепло-и электропроводностью.
В качестве связующих в производстве боропластиков используют преимущественно термореактивные смолы: эпоксидные, полиэфирные, фенолформадегидные и др. Боропластики применяют в конструкциях, испытывающих большие напряжения сжатия или изгиба при нормальной или повышенной температуре. Боропластики отличаются большой дороговизной, поэтому рациональнее борные волокна использовать в составе полиармированных (гибридных) композиционных материалов. Такие композиты могут содержать волокна самых различных сочетаний и количественных соотношений, приобретая все лучшие качества каждого из них. Кроме рассмотренных выше, рименяются полимерные композиты, наполненные металлическими проволоками, керамическими волокнами.