Армирующий компонент

БОРОПЛАСТИКИ - пластмассы, содержащие в качестве упрочняющего (армирующего) наполнителя борные волокнистые материалы. Отличаются высокими прочностью, твёрдостью, выносливостью, низкой ползучестью. Применяются в авиац. и космич. технике для снижения (на 20-40%) массы высоконагруженных деталей, напр, панелей стабилизаторов. БОРТ - разновидность алмаза; сростки многочисл. мелких огранённых кристаллов и зёрен неправильной формы, серого и чёрного цвета. БОРТ судна (от нем. Bord) - совокупность элементов набора и обшивки, образующих боковые стенки корпуса судна. Различают левый (бак-борт) и правый (штирборт) Б., если смотреть от кормы к носу судна. БОРТОВЫЕ ОТСОСЫ - устройства для удаления вредных, загрязняющих возд. среду в-в, выделяемых технол. оборудованием (напр., ваннами в гальванич. цехах). Загрязн. воздух удаляется с помощью вентилятора и выбрасывается в атмосферу (как правило, с предварит, очисткой). БОРТОРАСШИРЙТЕЛЬ - ТО же, что спредер.

Следует отметить, что если современный уровень развития методов и средств контроля готовых изделий достаточно высок, то в отношении контроля технологических параметров полимерных материалов и изделий в процессе производства достижения еще незначительны. Наиболее важными технологическими параметрами, которые необходимо контролировать в процессе производства изделий, являются такие, как влажность всех компонентов, вязкость связующего, кинетика твердения, плотность мате- . риала на всех стадиях его изготовления, упругие и прочностные характеристики армирующего наполнителя и готового изделия, геометрические характеристики армирующего наполнителя (диаметр волокон, толщины слоев) и готовых изделий, а также наличие различных дефектов.

Максимальная реализация свойств полимерной матрицы и армирующего наполнителя в композитах возможна при наличии оптимальной адгезии, условия получения которой установить довольно трудно. Известно, что адгезия, обусловленная только плотным контактом между органическим полимером и гидрофильным минералом, не обеспечивает образования водостойкого соединения. Такое соединение не может быть образовано и посредством прямых химических связей, так как органический полимер с устойчивыми ковал ентными и минерал с ионными связями являются слишком разнородными материалами. Хорошая адгезия между такими разнородньши материалами может быть получена в результате использования третьего материала в виде промежуточного слоя между матрицей и наполнителем.

Смола Структура армирующего наполнителя Обработка поверхности волокнао ) Предел прочности На ИЗГИ61), КГС/ММ2 Изменение прочности „ %

ность обшивки из неметаллического материала позволила исключить внешние антенны. Метод изготовления этого самолета иллюстрирует выгоды использования композиционных материалов для повышения производительности производства. Обшивка крыла, например, работает как балка коробчатого сечения с заплечиками, заменяющими обычные лонжероны. Предусмотрено также изготовление цельных топливных отсеков, и, кроме того, имеется возможность формования и окончательной окраски основных элементов конструкции в матричных формах. После завершения процесса отверждения окончательная сборка заключается в соединении относительно небольшого числа узлов. В качестве армирующего наполнителя были использованы в основном нетканые стекло-холсты однонаправленной структуры, пропитанные эпоксидной смолой производства фирмы Dow. Высокие летные качества конструкции определяются аэродинамическим качеством и эффективным конструкторским решением.

чета для оптимизации структуры материала применительно к требованиям конструкции и ее элементов. В рассматриваемом случае эпоксидный углепластик использовали для изготовления верхней и нижней обшивок задней кромки, алюминиевые соты — в качестве заполнителя. Лонжерон и крепежные фиттинги изготовляли из алюминия, концевую нервюру — из эпоксидного стеклопластика. Для более рационального использования свойств углепластика выбрана многонаправленная схема выкладки пятислойного армирующего наполнителя. При статических испытаниях интер-цептор выдержал нагрузку, составляющую 169% от максимальной расчетной, при этом прогиб уменьшился на 20 %. Достигнутая экономия массы обшивок составила 24% [6]. Несмотря на существенное улучшение массовых и жесткостных характеристик, целесообразно провести оптимизацию с использованием более точного анализа (в частности, метода конечных элементов с решением на ЭВМ) для частичной переориентации слоев и перехода на конструкцию, целиком выполненную из композиционных материалов, что могло бы привести к дальнейшему увеличению экономии массы. После испытаний и регистрации в управлении гражданской авиации два интерцептора установлены на самолете «Боинг-737» для испытаний в процессе длительной эксплуатации.

Стеклопластики нашли широкое применение в конструкциях разработанных и построенных в США маломестных транспортных средств. Примеры таких транспортных средств представлены на рис. 2 и 4. На рис. 2 показан вагон «Старкар» корпорации Alden. Вагоны этой системы имеют следующие характеристики: длина 4,2 м, ширина 2 м, высота 2,7 м, масса 1,6 т, номинальная мощность 60 л.с., максимальная скорость 48 км/ч, ускорение при изменении скорости от 0 до 40 км/ч 1,2 м/с2. Конструкция такого вагона и его оборудование описаны корпорацией Alden [1]. Кабина вагона выполнена из армированной стекловолокном полиэфирной смолы, обладающей огнеупорными свойствами. В качестве армирующего наполнителя использовалась рубленая ровница из стекловолокна, так же как и при изготовлении корпусов автомобилей, лодок и т. д. Выбор такого материала обусловлен следующими факторами: способностью материала поглощать энергию ударов, что позволяет кабине вагона выдерживать интенсивную эксплуатацию без существенной деформации; качеством отделки, сравнимым с качеством отделки лучших автомобилей вследствие объемной окрашенности и гладкой поверхности; минимальными затратами на обслуживание.

На эти материалы существуют стандарты, установленные, как правило, более 15 лет назад. Технологические методы изготовления армированных пластиков включают контактное формование с выкладкой вручную армирующего наполнителя, напыление, прессование, намотку. Биполимерные слоистые пластики, сочетающие в себе термопласты и реактопласты, делают композиционные системы более универсальными. Соединение изделий из этих материалов осуществляется либо склеиванием, либо при помощи фланцев, соединительных муфт, стыковых накладок.

Для армирования наиболее широко используют термореактивные полимеры (например, полиэфиры, смолы на основе сложных виниловых эфиров, эпоксидные, фурановые), а в качестве армирующего наполнителя — стекловолокно из стекла Е, С, R, S. Используют также асбестовые волокна. Это не значит, однако, что другие волокна не находят применения в качестве армирующих, например такие, как борные, керамические, углеродные, джутовые волокна, металлическая проволока или листы, полиакриловые, полипропиленовые, кварцевые волокна, нитевидные кристаллы сапфира. Многие из перечисленных материалов, например нитрид бора, углеродные, кварцевые волокна и нитевидные кристаллы сапфира использовались в основном в авиационно-космической технике и, несмотря на их привлекательность, имеют ограниченное применение в осуществлении программы по предотвращению коррозии в химической промышленности вследствие их высокой стоимости. Углеродные или графитовые волокна являются армирующим наполнителем, обладающим наибольшей потенциальной возможностью снижения стоимости.

Исследования, проведенные в Англии, привели к разработке армирующих листов и проволоки, которые использовались для изготовления трубопроводов. Для улучшения абразивной и химической стойкости стеклопластиков часто совместно со стекловолокном применяют органическое волокно. При воздействии щелочных сред могут быть использованы полиакриловые, полиэфирные и полипропиленовые волокна. Некоторые органические волокна незаменимы при циклическом воздействии на слоистый пластик давления и температуры, так как они обеспечивают высокую совместимость армирующего наполнителя со связующим. Полипропиленовое волокно можно использовать в конструкциях из армированных пластиков, в качестве армирующего материала для перегородок. Хотя оно не обладает прочностью стекловолокна, оно успешно использовалось в конструкциях емкостей из армирован-

Контактное формование или «выкладка вручную». Наиболее широко используемым методом изготовления оборудования для химической промышленности является контактное формование с выкладкой армирующего наполнителя вручную. Приготовляют и полируют стальную форму. На формующую поверхность наносят антиадгезионное покрытие или оборачивают ее пленкой «Майлар» или целлофаном. После нанесения слоя покрытия из связующего и выкладки облицовочных стекломатов марки С укладывают последовательно слои стекломатов с массой 32 г, пропитанных связующим. Затем укладывают слои ровничной ткани и маты из рубленного стекловолокна до достижения заданной толщины изделия. При необходимости определенные участки изделия упрочняют и устанавливают металлические вкладыши. Однако оснащение патрубками и люками, как правило, осуществляют после изготовления оболочки. Внешняя поверхность образуется матами с покрытием, наносимым методом горячего окунания.

Практически во всех композиционных материалах, за исключением эвтектических, структурные элементы композиций — матрицу и армирующий компонент выбирают готовыми, а окончательная структура формируется искусственно при изготовлении изделия или полуфабриката.

Главным компонентом ФАПМ является асбест, применяемый как теплостойкий армирующий компонент. Для изготовления ФАПМ в основном применяют хризотил-асбест — минерал волокнистой структуры, относящийся к группе серпентинов ГОСТ 12871-67*.

теплостойкий армирующий компонент — например, асбестовое волокно (15—60 %);

Поступающий на завод армирующий компонент, например, товарный асбест, представляет собой распушенное на обогатительных фабриках волокно. Однако в нем содержатся довольно большие агрегаты волокон, которые могут привести к неоднородности ФПМ и снизить степень его армирования, что неблагоприятно отразится на свойствах изделий. Поэтому, в частности, для бо ее тонкого расщепления

• упрочнителъ, усиливающий (армирующий) компонент — компонент прерывный, распределенный особым образом в объеме композиции.

1. Дисперсноупрочненные композиционные материалы, армированные частицами (рис. 3.1, а). По геометрическому признаку эти композиты относятся к одному классу, так как армирующий компонент является нуль-мерным компонентом, имеющим все три размера одного и того же порядка. Частицы второго компонента (фазы) беспорядочно распределены в матрице и в зависимости от их количества могут либо упрочнять матрицу, препятствуя развитию дислокационного скольжения при приложении нагрузки, либо «разгружают» матрицу, воспринимая часть приложенной нагрузки. В первом случае композиционный материал относится к дисперсноупрочненным, во втором — к армированным частицам и композитам. В дисперсноупрочненных композитах размер частиц й?ч « 1 мкм (субмикроструктурированные композиты), а их количество составляет 1...15%. В качестве дисперсных фаз обычно используют оксиды, бориды, карбиды, силициды (см. табл. 3.1). Возможно также использование интерметаллидов [5]. Эффективность упрочнения матрицы некогерентными дисперсными частицами фаз зависит от их размера и расстояния между соседними частицами. Наибольший эффект упрочнения наблюдается при размере частиц меньше 0,1 мкм, расстоянии между ними ?, = 0,01...0,3 мкм и количестве около 15% [4]. Дисперси-

Материал матрицы Армирующий компонент Метод получения Предел прочности, МПа К1с, МПа-м '/2 Рабочая температура, °С

Очевидное упрощение процесса путем предварительного соединения смолы и мата, что было успешно реализовано в препрегах из тканых полотен, в данном случае осуществить не удалось. В большинстве случаев лист материала в неотвержденном состоянии должен быть сухим. Матами со связующим, достаточно нерастворимым для пропитки обычной системой ссмола—растворитель», при последующем пропускании материала через сушильную камеру нельзя покрывать композиции, которые обладают большой текучестью при формовании. Усовершенствование процесса химического загущения, о чем говорилось выше, позволило получить низковязкие смолы без растворителей, которые легко пропитывают армирующий компонент. Загустевание до оптимальной для формования вязкости занимает от нескольких часов до несколь-

Военно-морская программа Великобритании по разработке стеклопластиковых минных тральщиков с корпусом длиной 46 ... 61 м была первоначально опубликована Хентоном [26]. Первая разработка представляла собой многослойную сандви-чевую или сотовую конструкцию корпуса, палубы и переборок. Коробчатый заполнитель был изготовлен в виде уникальной сформованной стеклопластиковой конструкции, соединенной по секционному типу. Для его обкладки наружной и внутренней обшивками были использованы армирующий компонент на основе ро-винговой ткани и изофталевая полиэфирная смола холодного отверждения. Полноразмерная секция — средняя часть корабля длиной 10,4 м, предназначенная для испытаний, — была сформована в негативной (вогнутой) форме. Сначала на форму наложили наружную обшивку, затем на нее наклеили коробчатый заполнитель и, наконец, на заполнитель наклеили слои внутренней обшивки. После конструкционных и взрывных испытаний было решено для первого военно-морского судна «Уилтон» [9, 43] изготовить однообшивочную конструкцию. Однообшивочный корпус был усилен поперечными элементами силового набора — шпангоутами (рис. 27.1), которые были выложены на отвержден-ной оболочке корпуса после удаления слоя стеклоткани. Для -^упрочнения связи шпангоутов с обшивкой корпуса были использованы плотно расположенные сквозные болты, что повысило

В композиционных материалах высокомодульный армирующий компонент комбинируется с матрицей, которая выбирается из соображений простоты изготовления из нее металлической конструкции. Кроме того, химическое и механическое взаимодействие между двумя фазами должно быть незначительным.

Высокие пластичность и ударная вязкость металлических матричных сплавов наиболее важные свойства в композиционных материалах, так как армирующий компонент не обладает хорошей ударной вязкостью. Пластичные металлические матрицы, такие, как алюминий, титан или никелехромовые сплавы при ударны х нагрузках поглощают энергию пластической деформации, что очень важно для многих областей использования динамических конструкций. Пластичная матрица также позволяет притуплять вершину трещины и уменьшать концентрацию напряжений в ре-