Армированных формовочных

Углеродные волокна, так же как и борные, применяются для конструкционных целей. Для их изготовления возможно использование связующих, применяемых в производстве стеклопластиков. Велики возможности углеродных волокон с точки зрения обеспеченности различными видами исходного сырья. Однако не все виды сырья позволяют пока получать волокнистые наполнители с таким же модулем упругости и прочностью, как волокна, изготовляемые пиролизом вискозной пряжи. В настоящее время по состоянию разработки композиционные материалы, армированные углеродными волокнами, уступают своим стекло- и боронапол-ненным аналогам, но большинство специалистов предсказывают их крупномасштабное применение в авиационных конструкциях.

Королевское управление авиации и Британский железнодорожный технический центр провели эксперименты по изготовлению из композиционных материалов зубчатых колес для насосов систем смазки и охлаждения. В качестве примера на рис. 6 показано зубчатое колесо из армированного углеродными волокнами найлона. Армированные углеродными волокнами пластики перспективны для изготовления таких легких самосмазывающихся зубчатых колес. Процесс инжекционного прессования зубчатых колес из углеродных волокон и найлоновых гранул описан Филипсом и Уоттом (1970), отметившими, что «волокна вследствие малой плотности не могут быстро оседать в расплаве полимера и вытягиваются в направлении течения».

Армированные углеродными волокнами детали могут обрамлять проемы в конструкциях (например, окна), что позволяет снизить концентрацию напряжений вблизи этих мест. Цены на композиционные материалы, армированные углеродными волокнами, быстро падают, и к тому времени, когда годовое производство их превысит 8000 т, снизятся до 5 долларов за килограмм, вследствие чего выборочное армирование конструкций корпусов вагонов будет экономически оправдано. Углепластики применялись при создании экспериментального безопасного автомобиля Министерства транспорта (модель Форд GT-40), выигравшего 24-часовые гонки в Ле Мансе в 1968—1969 гг. Они также используются в экспериментальных автомобильных рессорах и бамперах, для бит для игры в гольф, удочек и других товаров, обсуждаемых в гл. 13.

Система алюминий — углеродное волокно. По данным [90] алюминий практически не растворим в углероде, а растворимость углерода в алюминии не превышает 0,05% по массе при 1300— 1500° С. Главной реакцией, определяющей взаимодействие углеродного волокна с алюминием, является реакция образования карбида А14С3. Обычно алюминиевые композиции, армированные углеродными волокнами, получают методами пропитки расплавом [169, 211J. Углеродные волокна не смачиваются расплавами на основе алюминия до 1100° С. При этой температуре волокна растворяются в расплаве на 40—60% своего объема и полностью теряют прочность. Количество карбидной фазы в материале, полученном при температуре самопроизвольного смачивания, настолько велико, что при последующем хранении образцов в течение нескольких дней они самопроизвольно разрушаются в результате выделения ацетилена при реакции карбида с влагой. Если пропитываются волокна с никелевым или медным покрытием, то последнее интенсивно растворяется в расплаве, и волокна разупроч-няются после контакта с расплавом в течение 2—5 мин на 40— 50% исходной прочности. Подобное же явление отмечено в работе [128], авторы которой обеспечивали смачивание путем химической обработки поверхности углеродных волокон.

Композиционные материалы со свинцовой материцей, армированные углеродными волокнами, применяют в химической промышленности при производстве батарей и аккумуляторов, в строительстве, в изделиях, работающих на трение, и др. Эти материалы имеют особое значение, так как они приобретают конструкционные свойства. Предел прочности и модуль упругости свинца равен 1,4 кгс/мм2 и 1400 кгс/мм2 соответственно. Армирование свинца углеродными волокнами дает возможность повысить указанные свойства и получить композиционный материал с пределом прочности и модулем упругости более чем в 10 раз выше, чем у свинца. Это позволяет значительно расширить области применения композиционных материалов на основе свинца в химической, строительной и других отраслях промышленности для оборудования и аппаратуры, обладающей высокой стойкостью в агрессивных средах, способных подавлять звуковые колебания, поглащать гамма-излучения и выполнять другие функции.

Наиболее широкое применение в технике получили композиты, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят полимерные композиты на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, полиимидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и другими волокнами; металлические композиты на основе сплавов Al, Mg, Cu. Ti, Ni, Cr, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиты на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиты на основе керамики, армированные углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

Композиционные материалы нельзя назвать совершенно новыми: они уже широко используются в промышленности. Хотя области применения композиционных материалов и металлов аналогичны, первые открывают более широкие возможности. На их основе изготовляются самые различные изделия - начиная от жестяных консервных банок и кончая котлами для атомных реакторов из нержавеющей стали. Композиционные материалы, если даже говорить только о пластмассах, армированных волокнами, используются еще шире: от изготовления бытовых ванн до космических кораблей "Спейс шаттл". Прежде чем перейти к рассмотрению наиболее прогрессивных материалов, какими являются армированные углеродными волокнами пластмассы (углепластики), сопоставим композиционные материалы с другими материалами, а затем уже подробнее остановимся на углепластиках.

В соответствии с определением, данным в разд. 1.2.1, различают составные композиционные материалы и структурированные композиционные материалы, сложная структура которых образуется в процессе фазовых превращений. Рассматриваемые ниже композиционные материалы, армированные углеродными волокнами, полностью относятся к составным 2) композиционным материалам.

Рис. 1. 4. Классификация композиционных материалов, армированных волокнами. FRCM —композиционные материалы, армированные волокнами; GFRCM — композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами; С FRCM — композиционные материалы, армированные углеродными волокнами; BFRCM — композиционные материалы, армированные борными волокнами; AFRCM — композиционные материалы, армированные арамидными волокнами; CFRP — углепластики; CFRTS — термореактивные смолы, армированные углеродными волокнами; CFRTP — термопласты, армированные углеродными волокнами; CF/EP — эпоксидные углепластики; CF/AI — композиционные материалы на основе алюминия и углеродных волокон.

Композиционные материалы, армированные углеродными волокнами. Армированные углеродными волокнами композиционные материалы в зависимости от типа матрицы делятся на армированные пластмассы и армированные металлы. Рассмотрим их особенности на примере широко применяемых на практике углепластиков. Как следует из данных, приведенных в табл. 1.1, среди всех армирующих волокон только арамидные волокна имеют плотность, меньшую плотности углеродных волокон. Но высокопрочные углеродные волокна прочнее арамидных, а высокомодульные углеродные волокна имеют модуль упругости, близкий к модулю упругости борных волокон. Поэтому именно углеродные волокна нашли широкое применение в конструкциях, которые должны иметь ограниченный вес. Среди всех армированных пластмасс углепластики обладают наиболее высокими стойкостью к усталостным испытаниям и долговечностью. Углепластики хорошо проводят электрический ток и могут использоваться для изготовления плоских нагревательных панелей. Углепластики плохо пропускают рентгеновские лучи. Они имеют очень низкий коэффициент линейного расширения и оказываются наиболее подходящими материалами для конструирования космических аппаратов, подвергающихся значительным перепадам температур между солнечной и теневой сторонами. В то же время они хрупки и обладают низкой ударной прочностью. Поэтому во многих случаях предпочти-

пластиков. Материалы на основе металлов, армированных углеродными волокнами, пока еще находятся в стадии разработки. Но вслед за разработкой новых углеродных волокон и новых углепластиков значительное развитие получат и армированные углеродными волокнами металлы. Тем не менее композиционные материалы на основе углеродных волокон все еще являются сравнительно новыми материалами. При их применении на практике необходимо проявлять гибкость. При этом необходимо также иметь в виду, что углеродные волокна постоянно совершенствуются.

В общем случае метод формования реактопластов на матрице — это процесс, в котором заполнение и смыкание формы заставляет формуемый материал принимать заданную конфигурацию, причем отверждение его происходит в самой форме. Такое определение предполагает столь бо.т.шое число различных подпроцессов и материалов, что удобнее идентифицировать процесс в каждом случае каким-либо подзаголовком. Так, в данной главе способы формования матов и предварительно отформованных заготовок будут объединены термином «мат и заготовка»; премиксы из армированных формовочных композиций; стеклонаполненные композиции для прессования (С/СЯ); листовые формовочные материалы (ЛФМ); формовочные композиции с повышенным содержанием стекловолокнистого наполнителя (ТМС) и листовые формовочные композиции с диагональным переплетением волокон (ХМС), а также процессы прямого прессования, литьевого прессования и литья под давлением реактопластов объединяются термином «армированные формовочные композиции»; холодное прессование и совместное формование определены как «холодное прессование», а вопросы литья под давлением смол и формования емкостей из пенопластов освещены в соответствующих разделах. Все широко применяемые методы будут рассматриваться довольно детально. Однако в первую очередь внимание будет уделено армированным формовочным композициям (премиксам, СД77, ЛФМ и самым

В табл. 15.6 приведены стандартные физико-механические свойства большого числа армированных формовочных композиций,

IS.6. Физико-механические свойства армированных формовочных композиций

Возможность варьирования свойств армированных формовочных композиций в очень широких пределах обусловила большое разнообразие областей их применения. При этом единственным общим свойством всех получаемых деталей является возможность их использования как конструкционных изделий для замены дерева, металлов, керамики и армированных слоистых пластиков. Помимо ценных конструкционных свойств, специально подобранные композиции отличаются низкой стоимостью, коррозионной стойкостью, теплостойкостью, хорошими электрическими показателями, огнестойкостью и т. д. Армированные формовочные композиции не только могут, ЕЮ и действительно успешно применяются вместо таких разнообразных материалов, как бетон,

5 15.7. Технологические свойства армированных формовочных композиций

С появлением малоусадочных материалов с добавками, снижающими объемные усадки и шероховатость поверхности, внедрение армированных формовочных композиций уже не ограничивается только производственно-техническими изделиями, которые обычно не попадают в поле зрения потребителя. Возникло много новых областей применения, в которых изделия, помимо функционального назначения (конструкционная деталь), несут и декоративные функции, и конструктор в своей работе может учитывать любой из этих аспектов или все сразу,

Приведенные ниже примеры успешного применения армированных формовочных композиций наглядно иллюстрируют, где они полезны и где их следует использовать. В тех случаях, когда это можно, приводится альтернативный материал с указанием преимуществ армированных формовочных композиций.

ния под высоким напряжением. Несмотря на то, что одно из самых первых применений ЛФМ (в ФРГ), не потерявшее значения и до настоящего времени (это корпуса низковольтных электрораспределительных устройств), неокрашенные изделия из армированных формовочных композиций для эксплуатации на открытом воздухе используются редко из-за недостаточной погодостой кости этих материалов. Однако нанесение полиуретановых покрытий оказалось очень эффективным методом и позволило использовать ЛФМ для получения таких деталей, как изолирующие консоли для подземных силовых распределительных устройств повышенного напряжения. Из этих материалов делают также корпуса механизированных инструментов (электрических дрелей, шлифовальных машин и т. п.). Прецизионное формование отверждающихся с малой усадкой смол изменило принципы конструирования этих инструментов. Стабильность и прочность армированных формовочных композиций позволяют использовать их как для несущих нагрузку корпусов, так и для электрической изоляции.

Большинство полиэфирных смол, предназначенных для армированных формовочных композиций, различаются по вязкости в пределах 2,5 Па-с, хотя, в принципе, применяются смолы с вязкостью от 1 до 250 Па-с. Перемешивание смол с вязкостью до 600 Па-с может проводиться в обычном оборудовании без применения снижающих вязкость растворителей, которые затем нужно было бы удалять. Классификация полиэфирных смол для формовочных композиций часто проводится по наименованию основного полимерного компонента [например, ортофталевый, изофта-левый, Яе^-ангидрид (ангидрид 1, 4, 5, 6, 7, 7 гексахлор-5-нор-борнен-2, 3-дикарбоновой кислоты) или бисфенол] или по наименованию «сшивающего» мономера [стирол, винилтолуол, диаллил-фталат (ДАФ) и др.]. Наиболее дешевым материалом является полимер, получаемый при взаимодействии ортофталевого ангидрида со стиролом. Изофталевый ангидрид повышает механические свойства, бисфенолкоррозионную стойкость, а Яе^-ангидрид снижает воспламеняемость. Винилтолуол менее летуч, чем стирол, благодаря чему из композиций, получаемых с использованием винилтолуола, мономер при выдержке на воздухе полностью не испаряется. Еще меньшей летучестью отличается ДАФ, улучшающий также и электрические свойства материала.

стоимость, узкий выбор композиций, низкая скорость отверждения и другие недостатки ограничивают их применение в армированных формовочных композициях. В то же время виниловый эфир — близкое производное эпоксидной смолы с таким же строением макромолекул основной цепи, но сшитое стиролом и отвержденное перекисью, — придает композициям повышенную ударную вязкость, химическую стойкость и эластичность, что, несмотря на более высокую стоимость этого продукта, позволяет использовать его для получения наиболее ответственных изделий.

15.10. Маслопоглощенне наполнителей, применяемых в армированных формовочных композициях