Композиционные материалы с неметалической матрицей

Общие сведения, состав и классификация

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связваео композицию, придавая ей форму. упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Рис.9. Зависимость между напряжением и деформацией при растяжении эпоксидного углепластика с различной схемой укладки упрочнителя: 1 – продольная; 2 – под углом 45⁰; 3 – взаимно перпендикулярная.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.% в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) - 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

Рис.8. Схемы армирования композиционных материалов

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей (рис.8). Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов

сложнее, чем трех-направленных. Зависимость механических свойств композиционных материалов от схемы армирования приведена на рис.9.

Карбоволокниты

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6-2,5 раза. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов ТiO₂, AlN и Si₃N₄, что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные Карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные Карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглсродные Карбоволокниты).

Эпоксифенольные Карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте, вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200°С.

Рис.10. значения модулей упругости (1), сдвига (2) и коэффициентов Пуассона (3) под углом к главному направлению композиционного материала, образованного системой трех нитей.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксиани-линоформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100°С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300°С.

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости (рис.10), сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения σ_изг и Е почти не изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие электрические свойства: р_v=0,0024÷0,0034 Ом см (вдоль волокон); е=10 и tgδ=0,01 (при частоте тока 10¹⁰ Гц).

Рис.11.зависисомсть модуля упругости Е, предела прочности σ_B, ударной вязкости а и сопротивления усталости σ_-1 карбостекловолокнита от содержания углеродных волокон (общее содержание наполнителя в композиции 62об.%)

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал. Зависимость механических свойств модифицированного карбоволокнита от содержания углеродных волокон показана на рис. 11.