Композиционные материалы с полимерной матрицей
В качестве армирующих элементов композитов с полимерной матрицей используются непрерывные и прерывистые волокна различной природы, ткани и нетканые материалы на их основе. Наибольшее распространение получили пластики, армированные стеклянными, углеродными, органическими, борными и некоторыми другими видами волокон. В качестве матрицы используются отвержденные эпоксидные, полиэфирные и некоторые другие термореактивные смолы, а также термопластичные материалы.
Термопласты - пластические материалы, способные размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении. Наибольшее распространение получили полиолефины, поливинилхлорид, полистирол.
Реактопласты - пластические материалы на основе отверждающихся олигомеров. Наибольшее применение находят фенолформальдегидные и эпоксидные смолы, полиуретаны и др.
Достоинства композитов с полимерной матрицей: высокие удельные прочностные и упругие характеристики; стойкость к химически агрессивным средам; низкие тепло- и электропроводность; радиопрозрачность стеклопластиков; умеренные температуры и давления получения композитов, что позволяет реализовать и такие способы, как прессование, и такие, как намотка - одновременное получение композита и детали.
К недостаткам пластиков относятся их низкие прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, низкая тепловая, а также радиационная стойкость, гигроскопичность, изменение физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.
Стеклопластики - материалы, матрицей в которых служат эпоксифенолформальдегидная смола, а наполнителем - стеклянные волокна (стеклоткань или стеклонити). Предельная доля наполнителя для стеклопластиков составляет 65÷67%. У всех стеклопластиков наблюдается анизотропия механических свойств. Стеклопластики имеют плотность ~1,95г/см3; область рабочих температур 130÷150°С. Их применяют для изготовления лопастей вертолетов, секций крыльев и хвостового оперения самолетов, корпусов ракет и ракетных двигателей, для кузовов автомобилей и др.
В органопластиках матрицей обычно служит эпоксидная смола, а наполнителем - органическое или синтетическое волокно (полиамидные или полиэтилентерефталатные волокна). Органопластики имеют плотность ~1,4г/см3; область рабочих температур до 300°С. При получении органопластиков происходит диффузия компонентов связующего в волокно и их химическое взаимодействие. В результате получается бездефектная структура, пористость которой не превышает 1÷3% (в других материалах 10÷20%). Отсюда стабильность механических свойств органопластиков при резком перепаде температур, при действии ударных и циклических нагрузок. Недостатки этих материалов - сравнительно низкая прочность на сжатие и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон). Поэтому в комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна), повышая прочность и жесткость. Органопластики применяют в авиационной и космической технике, авто- и судостроении, электро-и радиотехнической промышленности; из них изготавливают трубы, емкости для реактивов и др.
Карбопластики (углепластики) содержат в качестве наполнителя углеродистые волокна (карбоволокно), а в качестве связующего - эпоксидную смолу. В отличие от стеклянных волокон, карбоволокна плохо смачиваются связующим, поэтому их подвергают травлению. Карбопластики обладают высокой статической и динамической выносливостью, водо- и химической стойкостью и малой пластичностью. Они имеют плотность 1,3÷1,55г/см3, высокую теплопроводность, термо- и износостойкость, низкий коэффициент трения. Карбопластики применяются в авиации, автомобилестроении и др.
Широко используются карбоволокниты с углеродной матрицей (углерод-углеродные композиционные материалы). Коксованные материалы получают из обычных карбопластиков, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. При температурах 800÷1500°С образуются карбонизированные, а при 2500÷3000°С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, куда пропускается метан. В печи метан разлагается и образуется пиролитический углерод, который осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их. Прочность углерод-углеродных композитов в 5÷10 раз превосходит прочность специальных графитов, которые композиты и заменяют.
Боропластики - композиционные материалы, наполнителем в которых являются волокна бора, а связующим эпоксидная смола. Волокна бора обладают самыми высокими показателями удельной прочности и жесткости из всех металлических волокон. Боропластики имеют высокую твердость, прочность, жесткость, электро- и теплопроводность, низкую ползучесть; их плотность 2,0÷2,1г/см3. Боропластики обладают высоким сопротивлением усталости, стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов. Они находят применение в авиационной, ракетной и космической технике и других отраслях промышленности.