Армированный пластик что это
АРМИРОВАННЫЕ ПЛАСТИКИ
В зависимости от природы наполнителя различают след. виды А. п.: стеклопластики (наполнитель-стеклянное волокно), боропластики (борное волокно), асбопластики (асбестовое волокно), углепластики (углеродное волокно), древесные слоистые пластики (древесный шпон) и др. А. п. с наполнителями в виде коротких волокон наз. волокнитами, в виде тканей -текстолитами, в виде бумаги -гетинаксами. По характеру ориентации волокон различают однонаправленно, перекрестно и пространственно армированные пластики.
Волокнистый наполнитель, воспринимая напряжения, к-рые возникают при деформации материала, определяет его прочность, жесткость и деформируемость (см. табл.). Связующее, заполняющее межволоконное пространство, придает А. п. монолитность, передает напряжения отдельным волокнам и воспринимает напряжения, действующие в направлениях, отличающихся от направления ориентации волокон. Монолитность А. п. повышается при использовании наполнителя, подвергнутого предварительной обработке, напр. аппретированию, травлению.
Анизотропию св-в А. п., обусловленную существенными различиями в прочностных и деформац. характеристиках наполнителя и связующего, регулируют, изменяя содержание волокон и их взаимное расположение в материале. Расширение диапазона регулирования достигается созданием «гибридных» А. п. (содержащих волокна разл. природы, напр. борные и стеклянные), а также введением нитевидных монокристаллов в межволоконное пространство. наиб. высокими прочностью, жесткостью, анизотропией св-в характеризуются однонаправленно ориентированные А. п. на основе стеклянных, углеродных, борных и арамидных волокон.
СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ
Технология произ-ва изделий из А. п. включает след. осн. операции: 1) совмещение наполнителя со связующим, напр. смачивание и (или) пропитку волокон р-ром или расплавом полимера; 2) сборку и формование заготовки послойной выкладкой на пов-сть формы, намоткой на оправку или протяжкой через формующую фильеру; 3) фиксацию формы изделия (с одноврем. отверждением связующего) на литьевых машинах или гидравлич. прессах, а также методами автоклавного или вакуумного формования; 4) мех. обработку изделия, напр. обрезку по контуру, сверление отверстий, шлифование; 5) сборку конструкции и контроль ее кач-ва рентгеновскими, акустическими или механическими методами.
А. п.-конструкционные, электроизоляционные, теплозащитные, коррозионностойкие материалы, широко используемые в хим. машиностроении, автомобиле-, авиа- и станкостроении, в космич. технике, стр-ве, в произ-ве изделий мед. назначения и массового потребления.
Лит.: Рабинович А. Л., Введение в механику армированных полимеров, М.. 1970; Пластики конструкционного назначения, под ред. Е. Б. Тростянской, М.. 1974; Термопласты конструкционного назначения, под ред. Е. Б. Тростянской, М., 1975; Гуняев Г. М., Структура и свойства полимерных волокнистых композитов, М., 1981; СкудраА. М., Булаве Ф. Я., Прочность армированных пластиков, М., 1982. Г. М. Гупяев.
Полезное
Смотреть что такое «АРМИРОВАННЫЕ ПЛАСТИКИ» в других словарях:
АРМИРОВАННЫЕ ПЛАСТИКИ — пластмассы (напр., стеклопластики, асбопластики, текстолиты, углепластики), содержащие в качестве упрочняющего наполнителя волокнистые материалы мононити, жгуты, ткани, бумагу, древесный шпон … Большой Энциклопедический словарь
армированные пластики — пластмассы (например, стеклопластики, асбопластики, текстолиты, углепластики), содержащие в качестве упрочняющего наполнителя волокнистые материалы мононити, жгуты, ткани, бумагу, древесный шпон. * * * АРМИРОВАННЫЕ ПЛАСТИКИ АРМИРОВАННЫЕ ПЛАСТИКИ … Энциклопедический словарь
АРМИРОВАННЫЕ ПЛАСТИКИ — пластмассы, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя волокнистые материалы в виде нитей, жгутов, тканей и др. К А. п. относятся, напр., асбопластики, боропластики, стеклопластики, углепластики … Большой энциклопедический политехнический словарь
Пластики армированные — – пластмассы, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя волокнистые материалы: рубленые волокна, жгуты, ткани, бумагу, древесный шпон. К армированным пластикам относятся, например, стеклопластики, текстолит, углеродопласты. [Бадьин Г. М. и… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
СЛОИСТЫЕ ПЛАСТИКИ — композиц. материалы на основе полимерного связующего с послойным расположением армирующего наполнителя. Связующим служат синтетич. смолы (эпоксидные, полиэфирные, феноло формальд. и др.), кремнийорг. полимеры, полиимиды, полиамиды, фторопласты,… … Химическая энциклопедия
ДРЕВЕСНЫЕ ПЛАСТИКИ — материалы, вырабатываемые из лущёного шпона, древесной пресс крошки или опилок, пропитанных синтетич. смолами и склеенных под высокими давлением и темп рой. Д. п. подразделяют на древесные слоистые пластики (ДСП), армированные, спрессованные и… … Большой энциклопедический политехнический словарь
ПЛАСТМАССЫ — (пластические массы, пластики). Большой класс полимерных органических легко формуемых материалов, из которых можно изготавливать легкие, жесткие, прочные, коррозионностойкие изделия. Эти вещества состоят в основном из углерода (C), водорода (H),… … Энциклопедия Кольера
ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ — (пластмассы, пластики), полимерные материалы, формуемые в изделия в пластическом или вязкотекучем состоянии обычно при повыш. т ре и под давлением. В обычных условиях находятся в твердом стеклообразном или кристаллич. состоянии. Помимо полимера… … Химическая энциклопедия
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ — (композиты) (от лат. compositio составление), многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлич., углеродной, керамич. или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и… … Химическая энциклопедия
НАПОЛНЕННЫЕ ПОЛИМЕРЫ — гетерофазные композиц. материалы с непрерывной полимерной фазой (матрицей), в к рой хаотически или в определенном порядке распределены твердые, жидкие или газообразные наполнители. Эти в ва заполняют часть объема матрицы, сокращая тем самым… … Химическая энциклопедия
Армированные пластики
От латинского armo – укрепляю, композиционные материалы на основе полимерного связующего (матрицы) и упрочняющего (армирующего) наполнителя волокнистой структуры.
В качестве связующего в армированных пластиках применяют синтетические смолы (эпоксидные, феноло-формальдные, полиэфирные), кремнийорганические полимеры, полиамиды, полиимиды, полисульфоны, фторопласты и других. Наполнителями служат неорганические и органические волокнистые материалы, используемые в виде мононитей, комплексных нитей, коротких (дискретных) волокон, жгутов, тканей, войлоков, нитевидных монокристаллов.
В зависимости от природы наполнителя различают следующие виды армированные пластики: стеклопластики (наполнитель-стеклянное волокно), боропластики (борное волокно), асбопластики (асбестовое волокно), углепластики (углеродное волокно), древесные слоистые пластики (древесный шпон) и другие. Армированные пластики с наполнителями в виде коротких волокон называются волокнитами, в виде тканей –текстолитами, в виде бумаги – гетинаксами. По характеру ориентации волокон различают однонаправленно, перекрестно и пространственно армированные пластики.
Волокнистый наполнитель, воспринимая напряжения, которые возникают при деформации материала, определяет его прочность, жесткость и деформируемость. Связующее, заполняющее межволоконное пространство, придает армированным пластикам монолитность, передает напряжения отдельным волокнам и воспринимает напряжения, действующие в направлениях, отличающихся от направления ориентации волокон. Монолитность армированных пластиков повышается при использовании наполнителя, подвергнутого предварительной обработке, например аппретированию, травлению.
Анизотропию свойств армированных пластиков, обусловленную существенными различиями в прочностных и деформационных характеристиках наполнителя и связующего, регулируют, изменяя содержание волокон и их взаимное расположение в материале. Расширение диапазона регулирования достигается созданием «гибридных» армированных пластиков (содержащих волокна различной природы, например борные и стеклянные), а также введением нитевидных монокристаллов в межволоконное пространство. Наиболее высокими прочностью, жесткостью, анизотропией свойств характеризуются однонаправленно ориентированные армированные пластики на основе стеклянных, углеродных, борных и арамидных волокон.
Технология производства изделий из армированных пластиков включает следующие основные операции:
1) совмещение наполнителя со связующим, например смачивание и (или) пропитку волокон раствором или расплавом полимера;
2) сборку и формование заготовки послойной выкладкой на поверхность формы, намоткой на оправку или протяжкой через формующую фильеру;
3) фиксацию формы изделия (с одновременным отверждением связующего) на литьевых машинах или гидравлических прессах, а также методами автоклавного или вакуумного формования;
4) механическую обработку изделия, например обрезку по контуру, сверление отверстий, шлифование;
5) сборку конструкции и контроль ее качества рентгеновскими, акустическими или механическими методами.
Армированные пластики – конструкционные, электроизоляционные, теплозащитные, коррозионностойкие материалы, широко используемые в химическом машиностроении, автомобиле-, авиа- и станкостроении, в космической технике, строительстве, в производстве изделий медицинского назначения и массового потребления.
Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на
Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на
Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий
Технологии
АРМИРОВАННЫЕ ПЛАСТИКИ: виды, свойства, связующие
Большую группу композиционных полимерных материалов составляют армированные пластики, в которых в качестве полимерной матрицы применяются различные термореактивные и термопластичные полимеры, а для арматуры используются волокнистые и листовые материалы из стекла, полимеров, базальта, углерода и других материалов.
Общая характеристика армированных пластиков
Армированные пластики широко применяются в авиационно-космической технике, различных отраслях машиностроения, строительстве, при изготовлении аттракционов, водных горок, бассейнов, спортинвентаря и других товаров народного потребления.
К достоинствам армированных пластиков относятся:
— высокая прочность при низкой плотности, что позволяет заменять сталь в конструкциях машин и механизмов;
— устойчивость к воздействию агрессивных сред, что обеспечивает изделиям из них длительные сроки эксплуатации без применения защитных покрытий;
— низкая материалоемкость изготовленных из них изделий, что позволяет снизить массу и расходы на эксплуатацию мобильной техники;
— высокая технологичность, заключающаяся в возможности изготовления крупногабаритных изделий сложной формы без дорогостоящей технологической оснастки и оборудования;
— возможность регулирования в широких пределах тепло- и электропроводности, радио- и светопрозрачности в зависимости от типа применяемых армирующих волокон;
— возможность ремонта в «полевых» условиях без применения специального оборудования;
— низкие капитальные затраты на организацию производства изделий из армированных пластиков;
— работоспособность в широком диапазоне температур и напряжений.
Наибольшее распространение получили армированные полимерные композиты с использованием в качестве арматуры текстильных материалов на основе стекловолокна, что связано с его доступностью, низкой стоимостью и высокими прочностными свойствами.
Все необходимое сырье для производства стеклопластиков появилось еще в 30-х годах прошлого века. Массовое производство стеклянных нитей и пряжи стало возможным в 1932 году, когда была разработана технология производства стеклянных волокон из расплава. Подходящие для производства стеклопластиков связующие также появились в тридцатых годах ХХ столетия, когда в США была разработана технология изготовления полиэфирных смол. Чуть позже появились и перекисные отверждающие системы для этих смол. Принципиально с тех пор сырьевая база не изменилась, хотя, конечно, до сих пор проводится ее совершенствование и создание и новых смол, и новых отвердителей, и новых стекломатериалов.
В 40-х годах прошлого века появилась и острая нужда в новых материалах, способных удовлетворить требования создателей морской и авиационной военной техники.
Первым массовым потребителем полиэфирных стеклопластиков в гражданских отраслях промышленности стало производство судов. В 60-х годах прошлого века этот сектор стал крупнейшим потребителем армированных композитов, а чуть позже в лидеры вышла автомобильная промышленность благодаря крупносерийности своего производства.
Увеличение требований к армированным материалам привело к использованию в полимерных композитах сначала углеродных, а позднее органических высокомодульных волокон типа СВМ и кевлар. Этого требовало создание современной ракетно-космической и авиационной техники, необходимость снижения ее массы и одновременного повышения прочности и выносливости, а также обеспечения специальных технических свойств.
Позднее были разработаны еще более совершенные, высокопроизводительные технологии, позволяющие получать изделия с высокими эстетическими свойствами и меньшими отходами производства способами намотки, пултрузии, впрыска в закрытую форму и др.
Таким образом, потребности промышленности в более совершенных материалах и технологиях с одной стороны, и возможности, появившиеся при создании новых сырьевых материалов и оборудования с другой стороны, способствовали расширению применения армированных пластиков в различных отраслях экономики.
Структура и свойства армированных пластиков
К армированным композитам принято относить материалы искусственного происхождения сложного состава, имеющие не менее двух непрерывных фаз с общей границей раздела. Одна из фаз называется матрицей, она отвечает за форму изделия, устойчивость композита к воздействию различных агрессивных сред, тепло- и морозостойкость, ударную прочность и другие свойства.
Армированные пластики (часть 1): структура и свойства
Большую группу композиционных полимерных материалов составляют армированные пластики, в которых в качестве полимерной матрицы применяются различные термореактивные и термопластичные полимеры, а для арматуры используются волокнистые и листовые материалы из стекла, полимеров, базальта, углерода и других материалов.
Общая характеристика армированных пластиков
Армированные пластики широко применяются в авиационно-космической технике, различных отраслях машиностроения, строительстве, при изготовлении аттракционов, водных горок, бассейнов, спортинвентаря и других товаров народного потребления.
К достоинствам армированных пластиков относятся:
— высокая прочность при низкой плотности, что позволяет заменять сталь в конструкциях машин и механизмов;
— устойчивость к воздействию агрессивных сред, что обеспечивает изделиям из них длительные сроки эксплуатации без применения защитных покрытий;
— низкая материалоемкость изготовленных из них изделий, что позволяет снизить массу и расходы на эксплуатацию мобильной техники;
— высокая технологичность, заключающаяся в возможности изготовления крупногабаритных изделий сложной формы без дорогостоящей технологической оснастки и оборудования;
— возможность регулирования в широких пределах тепло- и электропроводности, радио- и светопрозрачности в зависимости от типа применяемых армирующих волокон;
— возможность ремонта в «полевых» условиях без применения специального оборудования;
— низкие капитальные затраты на организацию производства изделий из армированных пластиков;
— работоспособность в широком диапазоне температур и напряжений.
Наибольшее распространение получили армированные полимерные композиты с использованием в качестве арматуры текстильных материалов на основе стекловолокна, что связано с его доступностью, низкой стоимостью и высокими прочностными свойствами.
Все необходимое сырье для производства стеклопластиков появилось еще в 30-х годах прошлого века. Массовое производство стеклянных нитей и пряжи стало возможным в 1932 году, когда была разработана технология производства стеклянных волокон из расплава. Подходящие для производства стеклопластиков связующие также появились в тридцатых годах ХХ столетия, когда в США была разработана технология изготовления полиэфирных смол. Чуть позже появились и перекисные отверждающие системы для этих смол. Принципиально с тех пор сырьевая база не изменилась, хотя, конечно, до сих пор проводится ее совершенствование и создание и новых смол, и новых отвердителей, и новых стекломатериалов.
В 40-х годах прошлого века появилась и острая нужда в новых материалах, способных удовлетворить требования создателей морской и авиационной военной техники.
Первым массовым потребителем полиэфирных стеклопластиков в гражданских отраслях промышленности стало производство судов. В 60-х годах прошлого века этот сектор стал крупнейшим потребителем армированных композитов, а чуть позже в лидеры вышла автомобильная промышленность благодаря крупносерийности своего производства.
Увеличение требований к армированным материалам привело к использованию в полимерных композитах сначала углеродных, а позднее органических высокомодульных волокон типа СВМ и кевлар. Этого требовало создание современной ракетно-космической и авиационной техники, необходимость снижения ее массы и одновременного повышения прочности и выносливости, а также обеспечения специальных технических свойств.
Позднее были разработаны еще более совершенные, высокопроизводительные технологии, позволяющие получать изделия с высокими эстетическими свойствами и меньшими отходами производства способами намотки, пултрузии, впрыска в закрытую форму и др.
Таким образом, потребности промышленности в более совершенных материалах и технологиях с одной стороны, и возможности, появившиеся при создании новых сырьевых материалов и оборудования с другой стороны, способствовали расширению применения армированных пластиков в различных отраслях экономики.
Структура и свойства армированных пластиков
К армированным композитам принято относить материалы искусственного происхождения сложного состава, имеющие не менее двух непрерывных фаз с общей границей раздела. Одна из фаз называется матрицей, она отвечает за форму изделия, устойчивость композита к воздействию различных агрессивных сред, тепло- и морозостойкость, ударную прочность и другие свойства.
Большую роль в формировании свойств композиционного материала играет межфазный слой на границе раздела матрицы и армирующей фазы. Подсчитано, что площадь контакта между ними в 1 мм2 композита с содержанием волокна 50 % по объему составляет 450-600 мм3.
Межфазный слой имеет и состав, и структуру, отличающиеся от состава и строения матрицы, поскольку помимо материала самой матрицы он включает в себя и некоторые продукты, входящие в состав армирующего наполнителя. Межфазный слой неоднороден по составу, а его толщину точно определить нельзя, поскольку состав и структура граничного слоя изменяются не скачкообразно. Тем не менее, толщину межфазного слоя определяют экспериментально и расчетным путем, принимая за нее такую его протяженность, на которой его состав и свойства изменяются по отношению к матрице и армирующему волокну в заданных пределах.
Толщина межфазного слоя у различных материалов колеблется в значительных пределах: от 0,01 до 5 мкм. Его роль в формировании свойств полимерного композита велика, а потому изучению и управлению процессами формирования межфазного слоя придается большое значение.
Широкому использованию армированных пластиков способствуют их высокие прочностные свойства.
Из табл.1 видно, что по удельным прочностным свойствам армированные полимерные композиты намного превосходят металлические сплавы.
В общем виде свойства армированных пластиков зависят от многих факторов, в том числе:
— природы, структуры и предыстории армирующего наполнителя;
— химической природы полимерной матрицы;
— соотношения содержания полимера и армирующего наполнителя;
— природы и содержания других компонентов;
Современная наука позволяет конструировать армированные композиционные пластики, изменяя их состав и структуру, добиваясь максимально полного удовлетворения предъявляемых к ним требований.
Таблица 1. Свойства конструкционных материалов
Свойства конструкционных материалов
К признакам классификации армированных пластиков относятся:
— химическая природа связующего; оно может быть термореактивным или термопластичным, от чего зависят многие эксплуатационные свойства армированных пластиков, например, отношение к растворителям, теплостойкость и другие, а также возможность рационального использования отходов их производства и потребления;
— тип армирующего волокна; широко используются стеклянные, угольные, органические, базальтовые, борные и другие волокна;
— форма армирующих элементов; они могут быть в виде волокон, нитей, жгутов, матов, тканей, пленок, лент;
— схемы армирования, которые бывают одно-, двух- и трехмерные; возможно также хаотичное армирование дискретными волокнами;
— степень армирования; в зависимости от типа армирующего материала она может быть низкой, высокой и предельной. При низкой степени армирования содержание волокон не превышает 40 % по массе; при высокой степени армирования содержание волокон может достигать 75-92 % по объему. Предельное армирование осуществляется вообще без связующего путем оплавления части полимерных волокон, содержание которых в исходной композиции составляет 100 % (так называемое «перепрофилирование волокон»);
— назначение; по этому признаку армированные полимерные композиты подразделяют на высокопрочные, морозостойкие, теплостойкие, трудногорючие, электротехнические, износостойкие и др.;
— технология производства; армированные полимерные материалы получают литьем под давлением, экструзией, намоткой, напылением, пултрузией, выкладкой и другими способами.
Связующие для армированных полимерных материалов
Основные требования к связующим для производства армированных полимерных композитов состоят в следующем:
— хорошее смачивание армирующего наполнителя;
— высокая адгезия к армирующему наполнителю;
— низкая усадка при отверждении;
— высокая прочность в отвержденном состоянии;
— регулируемое во времени отверждение при комнатной температуре;
— отсутствие летучих компонентов;
— длительная стабильность при хранении;
— высокие эксплуатационные характеристики (теплостойкость, светостойкость, водостойкость, химическая стойкость и др.);
— возможность простой утилизации отходов.
В качестве связующих материалов полимерных армированных пластмасс используют термопласты и реактопласты.
Вместе с тем, использование термопластов в качестве связующих при производстве армированных пластиков имеет и важные преимущества. Во-первых, при их использовании практически не выделяются в рабочую зону токсичные газообразные продукты, как это имеет место при использовании олигомерных связующих. А во-вторых, отходы производства армированных пластиков на основе термопластов легко утилизируются, так же как и другие термопластичные полимеры, поскольку их макромолекулы не связаны между собой химическими связями.
Особый интерес имеет возможность получения на основе термопластов «предельноармированных» пластиков с содержанием армирующих волокон до 100 %. Такие армированные композиты получают путем оплавления при нагревании части полимерных волокон.
Заготовки для изготовления изделий из армированных термопластов имеют практически неограниченный срок хранения, что упрощает организацию технологического процесса производства изделий из них.
Одной из перспективных технологий производства армированных пластиков на основе термопластов является производство тканых полотен из смеси волокон, часть из которых при формовании изделия расплавляется и связывает остальные нерасплавленные волокна. Последние играют роль армирующего наполнителя. Полуфабрикаты из таких смесовых тканей обладают равномерностью структуры и постоянством сырьевого состава. Производство изделий из смесовых тканей легко механизируется и может быть осуществлено на обычных гидравлических прессах.
Разрабатываемые в последнее время технологии производства армированных композиционных материалов на основе термопластичных связующих, а также технологии формования изделий из смесовых текстильных полуфабрикатов создают предпосылки для более широкого их использования при производстве продукции массового спроса.
В настоящее время более широко в производстве армированных пластмасс используются олигомеры, которые после отверждения в присутствии отвердителя превращаются в реактопласты. Это объясняется их лучшей технологичностью, т.к. во время пропитки они являются вязкими жидкостями. В качестве олигомеров для получения связующих применяют полиэфирные, эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и другие смолы.
Свойства отвержденных полимерных связующих приведены в табл. 2.
Таблица 2. Свойства отвержденных связующих для производства армированных пластиков
Таблица 3. Свойства стеклопластиков на основе некоторых связующих
Как видно из приведенных в табл. 3 данных, стеклопластики на основе эпоксидных смол обладают более высокой прочностью при всех видах нагружения. Кроме того, они имеют более высокую выносливость при различных нагрузках. По теплостойкости их превосходят материалы на основе кремнийорганических и фенолформальдегидных смол.
Наибольшее применение в качестве связующего армированных пластиков находят ненасыщенные полиэфирные смолы благодаря низкой стоимости и высокой технологичности.
Роль матрицы, сформированной из связующего, чрезвычайно велика. Благодаря ее непрерывности и адгезионной связи с наполнителем прилагаемые к композиту напряжения распределяются по всему объему материала и воспринимаются высокопрочными волокнами. В то же время именно матрица определяет такие важнейшие свойства композита, как тепло-, огне-, биостойкость, устойчивость к УФ, радиационному и химическому воздействию.
Требования к физико-механическим свойствам связующих определяются условиями эксплуатации изделий из композитов. Весьма важны и их технологические свойства, от которых зависит возможность производства композиционного материала. Так, например, вязкость олигомера оказывает непосредственное влияние на возможность пропитки им наполнителя, а адгезионные свойства влияют на прочность связи между наполнителем и матрицей. Температурный коэффициент линейного расширения, который, у матрицы может быть в десятки раз больше, чем у волокна, влияет на возможность расслоения композита уже при изготовлении изделия, поскольку отверждение большинства используемых полимеров происходит с выделением тепла.
Анализируя условия эксплуатации изделий из композитов, а также технологии их формования, не трудно представить, сколь многообразны, а порой и противоречивы требования к свойствам связующих, используемых для формования матриц. Скажем, требование к такому важному свойству матрицы, как пластичность, противоречиво. С одной стороны повышение пластичности способствует снижению хрупкости материала. В то же время высокая пластичность матрицы не только отрицательно влияет на прочностные свойства композита, но и снижает теплостойкость и другие характеристики материала. Поэтому связующее должно обладать не просто высокой или низкой пластичностью, а иметь значение этого показателя в узких, оптимальных для конкретного композиционного материала, пределах. Таким образом, важна оптимизация свойств полимерного связующего.
Улучшение свойств матриц достигается путем создания новых полимеров, изменения структуры существующих, введением различных добавок. В частности, повышение теплостойкости композитов, которая характеризуется способностью материала сохранять структуру при нагревании, достигается использованием полимеров с высокой жесткостью цепей и оптимальным с точки зрения переработки межмолекулярным взаимодействием.
Термостойкость, т.е. способность материала сохранять химическую структуру при нагревании, достигается при использовании полимеров с прочными химическими связями.
Примером того, как достигаются заданные свойства полимеров различными путями, является повышение их огнестойкости. С этой целью используют специальные полимеры, устойчивые к термоокислительной деструкции, совершенствуют структуру готового материала, исключая пористость и рыхлость, вводят в полимерную композицию различные антипирены, подавляющие горение.
Такой важный показатель для многих областей применения композиционных материалов, как водостойкость, также зависит от химической и физической структуры связующего, а также от физического строения матрицы.
Поэтому, при создании композитов необходимо учитывать все физико-механические и технологические свойства связующего, а также все виды взаимодействия между различными составляющими композита, которые могут изменить характеристики материала в целом.
Принимая во внимание возрастающие требования к композиционным материалам, связанные с ужесточением условий их работы, в последние годы проводятся исследования по созданию полимерных связующих для матриц, обеспечивающих высокие прочностные свойства (до 250 МПа), теплостойкость (до 300 °С), низкое водопоглощение (до 1 %). Использование таких связующих хотя и позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики композиционных материалов, но создает значительные трудности для реализации технологий производства из них изделий, поскольку температура их переработки достигает 350 °С.
Виды армирующих наполнителей
Несмотря на то, что теоретическая прочность полимеров составляет
19000 МПа, реальная их прочность не превышает 100-200 МПа, что связано с большим количеством дефектов в их структуре. В то же время прочность некоторых, в том числе высокомодульных полимерных, стеклянных, углеродных и других волокон равна 4000-5000 МПа, а некоторых еще выше. Поэтому для производства высокопрочных полимерных композитов широко используются армирующие органические и неорганические волокна, а также текстильные материалы на их основе.
Химическая природа волокон, используемых для производства армированных пластиков, многообразна. Это могут быть полимерные материалы, стекло различного состава, углерод, базальт и др. Прочностные свойства некоторых видов волокон приведены в табл. 4.
Таблица 4. Свойства армирующих волокон
Как видно из данных табл. 4, свойства волокнистых армирующих материалов различной химической природы принципиально отличаются друг от друга. Кроме того, свойства армирующего материала одной природы могут отличаться на десятки процентов только от того, какова его предыстория: температура и продолжительность сушки, длительность контакта с кислородом воздуха, условия обжига замасливателя и нанесения аппрета, его природа и др.
Наиболее широко для получения полимерных композиционных материалов используются армирующие наполнители на основе стеклянного волокна. Химический состав стекла влияет на свойства волокна и в конечном итоге на свойства композиционных материалов. Основу стекол, используемых для производства волокон, составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция. Кроме того, для достижения специальных свойств в стеклянную массу добавляют в небольших количествах оксиды бора, натрия, циркония и др.
Как отмечено выше, структура армирующих материалов многообразна. Для армирования стеклопластиков применяются однонаправленные непрерывные наполнители в виде нитей и жгутов (ровингов), ткани и сетки, нетканые материалы в виде матов, трикотажные полотна, рубленые волокна и др.
Широкое применение для производства стеклопластиков находит ровинг, представляющий собой непрерывную прядь из многих волокон.
Ровинги используются при производстве тканей и холстов, при изготовлении стеклопластиков путем намотки и напыления (с предварительным измельчением) и для других целей. В зависимости от назначения используются ровинги с различным содержанием элементарных волокон в комплексной нити.
Структура ткани определяется видом переплетения нитей. При выборе ткани руководствуются назначением стеклопластика. Различают полотняное, сетчатое, саржевое, сатиновое и другие переплетения.
Для конструкционных стеклопластиков используют стеклоткани сатинового или саржевого переплетения из крученых комплексных нитей или даже из ровинга. Стеклопластики электротехнического или теплоизоляционного назначения изготавливают, используя ткани полотняного переплетения.
Стекломаты из рубленых жгутов представляют собой наиболее распространенный тип волокнистого наполнителя, который особенно часто используется при контактном формовании. В стекломате хаотически распределены рубленые пряди, состоящие из элементарных волокон и нитей длиной около 50 мм, соединенных друг с другом специальной связкой. В зависимости от назначения мата применяются связки, обладающие разной растворимостью в различных смолах. По мере того, как стекломат смачивается смолой, связка растворяется в ней, обеспечивая свободное перемещение пучка волокон, что облегчает распределение материала по поверхности формы. Содержание армирующего наполнителя в стеклопластике при использовании стекломата ниже, чем при применении тканых материалов.
Содержание волокна оказывает решающее влияние на свойства стеклопластика. На рис. 1 показано изменение характеристик материала в зависимости от содержания в нем стекловолокна.
Рис. 1. Влияние содержания волокна на разрушающее напряжение при растяжении (sр), изгибе (sи) и ударную вязкость (а)
Стекловолокно при производстве покрывается замасливателем, который соединяет элементарные волокна в первичную нить, предотвращая их слипание между собой и облегчая размотку и кручение нитей при производстве из них жгутов. Важная роль замасливателя заключается и в том, что он защищает волокна от истирания и разрушения в процессе производства текстильных материалов из нитей, а также препятствует накоплению зарядов статического электричества.
После производства текстильного материала и выполнения своих функций замасливатель удаляют, т.к. он мешает пропитке стекловолокнистого наполнителя полимерным связующим. Удаление замасливателя производят путем выжигания при термической обработке при температуре около 800 °С или путем растворения в соответствующем замасливателю растворителе.
Для улучшения взаимосвязи связующего со стеклонаполнителем на поверхность последнего наносят аппреты, которые имеют функциональные группы. Благодаря им аппреты способны взаимодействовать и со связующим, и со стекловолокном. Роль таких веществ выполняют кремний- и металлоорганические соединения с аминными, гидроксильными или эпоксидными группами.
Наиболее оптимально аппреты вводить в состав замасливателя, в этом случае исключается операция его удаления, что позволяет сократить время изготовления материала и исключить снижение прочностных свойств стеклонаполнителя при удалении замасливателя.
Прочность стеклянных волокон в большой степени зависит от влаги, адсорбированной на их поверхности. Адсорбированная влага снижает поверхностную энергию волокон, вызывает набухание поверхностных слоев, приводит к развитию микротрещин, в конечном счете, снижая прочность волокон. Сушка и удаление влаги с поверхности волокон позволяет повысить их прочность, но полной десорбции поверхностной влаги не удается добиться даже при длительном и глубоком вакууме.
Применение углеродных волокон для получения полимерных композиционных материалов позволило решить ряд новых технических задач, что связано с уникальностью свойств армирующих материалов на основе углерода. Так, углеродные волокна обладают высокими прочностными характеристиками, низкой плотностью, тепло- и электропроводностью, химической стойкостью, низким температурным коэффициентом линейного расширения, высокой устойчивостью к ионизирующему излучению, низким коэффициентом трения и др.
Благодаря этому армированные углеродными волокнами полимеры (углепластики) нашли применение в ракетостроении и химическом машиностроении, авиационной и космической технике, в производстве спортивного инвентаря и товаров ширпотреба. Лучшие марки отечественного углеродного волокна имеют прочность при растяжении свыше 4,0 ГПа и модуль упругости около 240 ГПа при плотности 1,75 г/см3, что выгодно отличает их от других армирующих наполнителей. Известны углеродные высокомодульные волокна со значениями этих характеристик 3,3 ГПа, 500 ГПа и 1,95 г/см3 соответственно.
Углеродное волокно состоит из тончайших фибрилл, диаметр которых составляет 1-2 нанометра. Волокно имеет полую замкнутую структуру, поры занимают до 30 % объема волокна.
Получают углеродные волокна из полимерных нитей и волокон. Технология производства сложна и многостадийна. Процесс проводится при высоких температурах. Основная цель при получении углеродных волокон заключается в карбонизации и графитизации используемых высокомолекулярных продуктов. Большое влияние на качество углеродного волокна оказывает подготовка исходных полимерных волокон.
При карбонизации из полимерных волокон удаляются все химические элементы, кроме углерода. Продуктом карбонизации является твердый углеродный материал с поликристаллической структурой. Процесс проводится в отсутствие кислорода, т.е. в инертной или даже восстановительной среде.
На стадии графитизации, которая проводится при 2000-2400 °С, структура волокон упорядочивается и приобретает многослойность, характерную для гексагональной структуры монокристалла графита.
Для производства углепластиков используют дискретные углеродные волокна, углеродные нити, ленты и тканые материалы.
В зависимости от вида армирующего углеродного материала углепластики подразделяются на углеволокниты, углетекстолиты и углепрессволокниты. Углеволокниты изготавливаются с применением непрерывных углеродных нитей и жгутов. Углетекстолиты изготавливают с использованием тканей или тканых лент различного переплетения. Углепрессволокниты производят на основе дискретных волокон.
Свойства углепластиков, так же как и стеклопластиков, зависят от характеристик армирующих материалов, вида и текстуры волокна, степени наполнения, свойств полимерной матрицы и т.д.
Оптимальное содержание углеродных армирующих материалов в углепластике составляет 52-60 % по массе в зависимости от его вида.
Характерной особенностью углепластиков является высокая анизотропия всех механических и электрофизических свойств, которая в 2-3 раза выше анизотропии свойств стеклопластиков (табл. 5).
Таблица 5. Анизотропия свойств углепластиков
Анизотропия свойств углепластиков
Поэтому при проектировании структуры углепластиков и изделий из них необходимо учитывать направление (вектор) действия нагрузок при эксплуатации.
Первые попытки получить волокно из расплава природного базальта были предприняты еще 1923 году в США.
Свойства базальтовых волокон не зависят от его месторождения, а технология их производства имеет большое значение.
Этот материал абсолютно безвреден и может широко использоваться, в том числе и для производства товаров широкого потребления.
Для производства базальтопластов используют волокна, нити, ленты, ткани и нетканые полотна различной структуры. Базальтопласты обладают высокой теплостойкостью, химической стойкостью, что позволяет в ряде случаев отказаться от использования асбопластиков. Базальтопласты сохраняют свои высокие диэлектрические, прочностные и фрикционные характеристики до температур 300-450 °С в зависимости от природы связующего полимера.
Интересными свойствами обладают органопласты, в которых армирующей фазой являются полимерные волокна. Свойства полимер-полимерных композитов определяются особенностями химического и физического строения полимерных волокон. Для их изготовления могут применяться карбо- и гетероцепные полимеры (полиамид, полиакрилонитрил, поливинилхлорид, полипропилен, политетрафторэтилен и др.). Однако применение этих полимеров ограничено вследствие низких прочностных свойств получаемых на их основе композитов.
Высокомодульные органические волокна в силу своего химического строения и надмолекулярной организации обладают чрезвычайно высокими прочностью (до 5,0-5,5 ГПа) и модулем упругости (до 160-180 ГПа), они термо- и теплостойки, устойчивы к воздействию органических растворителей, нефтепродуктов и минеральных масел.
В последние годы появились волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, которые наряду с высокой прочностью обладают отличными сопротивлением истиранию, светостойкостью, химстойкостью и низкой плотностью. Однако они уступают арамидным волокнам по показателям ползучести, теплостойкости и горючести.
Полимерная природа волокнистого наполнителя придает органопластам способность к пластической деформации без хрупкого разрушения. В органопласте, армированном полимерными волокнами, происходит диффузия полимерного связующего в поверхностные слои волокон с образованием промежуточного межфазного слоя. Благодаря этому свойства наполнителя в составе композиционного материала отличаются от свойств исходного волокна. Степень отличия зависит от термодинамической совместимости двух полимеров, из которых изготовлены матрица и волокно.
Рис. 2. Морфология поверхностей разрушения армированных пластиков с полимерным волокном «фенилон» (а) и стекловолокном (б)
Отличные результаты получены путем создания гибридных конструкционных материалов, в которых в качестве арматуры композита послойно используются полимерные и углеродные или стеклянные волокна. Использование стеклянных и углеродных волокон позволяет улучшить сопротивление материала сжатию. А наличие в таких композитах полимерных волокон делает материал устойчивым к растяжению и изгибу, к эрозии и удару.
Прекрасные результаты получены при создании комбинированных композитов, так называемых «алоров», в которых органопласты чередуются с листами алюминиевых сплавов. Такое сочетание позволяет получать материалы с чрезвычайно высокой усталостной прочностью, что проявляется в снижении скорости разрастания трещин и увеличении продолжительности их распространения в материале. По мере роста трещины в таком материале снижается скорость ее распространения вплоть до самопроизвольной остановки.
Таким образом, современная промышленность производит различные армирующие материалы для изготовления полимерных композитов. Они отличаются друг от друга не только структурой (волокна, нити, жгуты, ленты, текстильные полотна), но и химической природой (стеклянные, углеродные, базальтовые, полимерные, керамические и др.). Все это позволяет выбирать вид армирующих материалов и конструировать армированные полимерные композиционные материалы с учетом требований, предъявляемых к изделию его конструкцией, назначением и условиями эксплуатации.
Формирование межфазного слоя на границе раздела фаз
Как видно из данных, приведенных в таблицах 2 и 4, прочность армирующих волокон в несколько раз больше прочности связующих. Однако для реализации этого преимущества армирующих наполнителей перед матрицей необходимо создать прочное взаимодействие матрицы и волокна по всей площади их контакта. Добиться этого достаточно сложно, поскольку такое взаимодействие зависит от многих факторов и, в частности, от состава связующего, строения волокна, технологии изготовления композиционного материала.
Поскольку аппрет напрямую участвует в формировании межфазного слоя, считают, что в состав композита входят связующее, наполнитель и аппрет.
Аппреты должны обладать способностью:
— хорошо смачивать наполнитель;
— проникать в наполнитель и заполнять дефекты на его поверхности;
— создавать на поверхности армирующих волокон слой, совместимый с полимерным связующим;
— снижать величину остаточного напряжения в промежуточном слое, возникающего вследствие усадочных явлений в процессе отверждения связующего;
— перераспределять напряжения в матрице и переносить их на волокна при механическом воздействии на композиционный материал.
Силановые аппреты применяются в виде спиртовых, водных и спиртово-водных растворов.
Совершенно иные приемы используются для обработки угольных или органических волокон с целью получения композитов с заданными свойствами.
Аппретирование углеродных волокон в том смысле, как это делается со стеклянными наполнителями, неприемлемо, поскольку и природа, и структура угольных волокон совершенно иные.
Для повышения прочности связи между полимерной матрицей и угольными волокнами на них наносится протекторный слой. Этот слой:
— защищает волокна от истирания при изготовлении текстильного материала;
— повышает их прочность при разрыве;
— заполняет поры и трещины в волокнах;
— создает переходный слой между ними и связующим.
Выбор мономеров для протекторного слоя производится с учетом свойств связующего, которое будет использовано при получении углепластика.
Другими способами формируется структура органопластика, поскольку механизм взаимодействия полимерных волокон с полимерным связующим принципиально отличается от механизмов, протекающих при формировании структур стекло- и углепластиков. Полимерные волокна могут набухать в связующем, а иногда и взаимодействовать с ним. Поэтому и функции защитного слоя иные. Он обязан:
— защищать полимерные волокна от диффузии в них компонентов связующего;
— защищать полимерные волокна от деструктирующего влияния компонентов связующего;
— создавать граничный слой, молекулярно или надмолекулярно связывающий полимерное волокно и связующее.
Граничные слои на поверхности органических волокон создают:
— путем прививки полимера, совместимого со связующим или химически связывающегося с ним;
— адсорбцией на поверхности волокон полимеров, совместимых с полимером матрицы;
— обработкой волокна клеями, способными адгезионно связать наполнитель со связующим.
Регулирование структуры межфазного слоя, в том числе с помощью аппрета, всегда направлено на увеличение адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз и, в конечном счете, на повышение физико-механических свойств композиционного материала.