Армирующих наполнителей

Нитевидные кристаллы имеют весьма короткие волокна, при этом соотношения длины и диаметра достаточно высоки. Это очень важно при использовании нитевидных кристаллов («усов») в качестве армирующего материала. «Усы» обладают высокой удельт ной прочностью и жесткостью. Их можно вальцевать, разрезать, обрабатывать без заметного снижения прочностных свойств. Существенным недостатком нового класса армирующих материалов — нитевидных кристаллов — является неприемлемость для них обычной технологии изготовления. Вискеризованные материалы требуют создания новой технологии в целях использования всех потенциальных возможностей вискеризации. Технология переработки материалов с вискери-зированными волокнами изложена в работе [102]. .'

Прогресс в области технологии производства синтетических волокон с модифицированными свойствами достиг такого уровня, при котором оказалось возможным получение армирующих материалов, способных конкурировать с неорганическими волокнами.

Стоимость многих перспективных армирующих материалов составляет сотни долларов за килограмм. Можно представить, что цена на графитовые волокна будет быстро снижаться от 245 долларов, за кг (при закупке небольших партий) до 55 доллар/кг, затем на протяжении нескольких лет будет медленно снижаться, достигнув 22—33 долларов за кг. Возможно, что стоимость углеродных волокон (отличающихся от графитовых) будет еще ниже в течение последующих пяти лет. Углеродные волокна имеют более низкий модуль сдвига, чем графитовые. Тем не менее возможность использования графитовых волокон в качестве армирующего наполнителя в определенных областях представляется заманчивой. Графитовые волокна, обла-

Основная цель данной главы состоит в освещении фундаментальных основ изменчивости и масштабного эффекта прочности хрупких и вязких однофазных материалов и особенно пластиков, состоящих из жестких, хрупких армирующих материалов, погруженных в растяжимые матрицы. Вследствие этого не будет возможности охватить во всех деталях многие интересные достижения в более традиционных аспектах разрушения композитов. Интересующемуся читателю можно рекомендовать некоторые другие главы данного тома и дополнительно следующие обзоры по прочности композитов: Келли [15] — общее введение в теорию прочности волокнистых композитов; Кортен [7, 8] — детальное обсуждение вопросов прочности пластиков, армированных стеклянными волокнами; Розен и Дау [31] и Тетельман [35] — детальные обсуждения некоторых вопросов прочности композитов и подходов механики разрушения к разрушению композитов; Тьени [34] — сборник статей различных исследователей, в которых представлено много примеров структуры и статистических особенностей разрушения отдельных композитов, таких, как бетоны, пенопласты, и неориентированных матов, таких, как бумага,

Первый толчок к основательному пересмотру концепции однородного слоя дало появление новых видов армирующих материалов и в первую очередь моноволокон бора, диаметр которых уже не был на порядок меньше толщины слоя. Этот факт заставил обратить более пристальное внимание на взаимосвязь поведения композитного материала с его микроструктурой. Именно с этого времени началось серьезное развитие микромеханики композитов [18—20]. Вместо бесконечно малого объема dx, dy, dz квазиоднородного композита в качестве представительного объемного элемента материала стали рассматривать моноволокно арматуры, помещенное в матрицу, имеющую форму прямоугольной призмы. На основе этого нового структурного элемента, зная геометрические параметры, можно оценить практически все характеристики композита через свойства армирующих волокон и матрицы.

Лучшими из армирующих материалов являются борные и углеродные волокна, проволока из высокотемпературных материалов, а в качестве пластичной матрицы обычно используют алюминий, магний, титан и их сплавы.

Создание композиционных материалов нового класса стало возможным благодаря разработке и применению высокопрочных и высокомодульных борных и углеродных волокон, соединений ковалент-ного типа в виде нитевидных кристаллов и волокон карбидов, нитридов и других соединений, а также армирующих материалов на основе металлов, сталей и сплавов, обладающих высокой прочностью и высоким модулем упругости.

Из всех известных армирующих материалов борные и углеродные волокна являются одними из наиболее перспективных для упрочнения алюминиевых, магниевых, титановых и других металлических матриц, в связи с тем что предел прочности указанных волокон составляет -—ЗбО кгс/мм2, а модуль упругости ~40 000 кгс/мм2 при плотности 1700—2600 кг/м3. Это обеспечивает достижение в композиционных материалах весьма высоких значений удельной прочности и удельного модуля упругости.

Свойства армирующих материалов приведены в табл. 1.

Малая дисперсия предела прочности металлических армирующих материалов позволяет с большей достоверностью выбирать состав армирующих компонентов. Кроме высоких прочностных 42

Как известно, прочность и жаропрочность легированных сплавов, из которых изготовляют армирующие волокна (проволока), выше, чем указанные свойства нелегированных металлов. Свойства применяемых и новых армирующих материалов приведены в табл. 4 и 5.

Одной из главных задач при создании углерод-углеродных композиционных материалов является подбор по свойствам армирующих наполнителей и их укладка. Данные (табл. G.4) по исследованию этого вопроса не дают однозначного ответа; они получены при изменении свойств волокон и их укладки в плоскости ху. Модификация осуществлялась за счет поворота на 45° при укладке каждого последующего слоя низкомодульной графитовой ткани типа WCA и заменой исходной ткани WCA другими типами, в основном из высокомодульных волокон; их характеристики содержатся в табл. 6.5. Армирующие каркасы для всех материалов, за исключением 3D, получали прошивкой по оси z пакета слоев высокомодульной графитовой нитью. Каркас мате-

Большинство авторов, написавших отдельные главы этой книги, основное внимание уделяют стеклопластикам или металлокера-мическим композициям. Объясняется это прежде всего большим опытом, основанным на многолетнем массовом производстве и эксплуатации стеклопластиков в самых различных областях техники. Стеклопластики — один из наиболее дешевых, экономичных и технологичных материалов, имеющихся в распоряжении инженеров и конструкторов. Разработан большой ассортимент армирующих наполнителей и связующих смол, сочетание которых позволяет получить материал, удовлетворяющий самым разнообразным требованиям конструкций.

Книга содержит много полезных сведений о свойствах армированных пластиков и более современных композиционных материалов и дисперсных систем, номенклатуре выпускаемых промышленностью исходных компонентов (армирующих наполнителей, связующих смол), технологическим приемам изготовления деталей и узлов конструкций, объемам их производства и применения, перспективам роста применения композиционных материалов и ожидаемой технико-экономической эффективности от их использования. Несомненный интерес представляет конструкторская и технологическая проработка ряда узлов и деталей, используемых в космических летательных аппаратах (гл. 3), авиационной технике (гл. 2, 4), транспортном машиностроении (гл. I и V), судостроении (гл. 7), промышленном строительстве (гл. 8, 9) и др.

В качестве армирующих наполнителей применяют стекловолокно, асбестовые, углеродные, джутовые, органические и металлические волокна, однако наибольшее распространение получило стекловолокно. Композиционные материалы обладают высокой удельной прочностью и химической стойкостью в диапазоне температур от 121° С (при воздействии влажной среды) до 149° С (в отсутствии влаги); такие материалы применяют для изготовления труб, емкостей, воздуховодов, вентиляторов, вентиляционных труб и технологического оборудования.

армирующих наполнителей, между внутренним слоем и первым слоем основного армирующего наполнителя, располагают два или более слоев из стекломата на основе рубленого стекловолокна массой 32 г, пропитанного связующим с высокой растворимостью. Внешний слой составляет стекломат, пропитанный связующим, этот слой стоек к воздействию паров и атмосферных условий. Труба, показанная на рис. 1, состоит из внутреннего слоя толщиной 0,25—0,5 мм с высоким содержанием связующего, армированного поверхностным матом из стекловолокна на основе С-стекла или слоем органических волокон (а); слоя толщиной 2,5 мм, представляющего собой два или более слоев стекломатов массой 32 г с содержанием стекловолокна 25—30% (б), и слоев армирующего наполнителя, Число которых определяется заданной толщиной стенки и прочностью трубы (в). Это могут быть дополнительные слои стекломата массой 32 г, слои стеклоткани или стеклоровницы. В тяжелых конструкциях, где требуется несколько слоев стеклоровницы, между слоями последней располагают стекломаты. На последний слой стеклоровницы всегда укладывают стекломат массой 32 г. Внешний слой (г) имеет более высокое содержание связующего и упрочняется стеклома-тами из С-стекла с добавками, повышающими стойкость от воздействия УФ-излучения. Такие трубы предназначены для эксплуатации при температурах до 125° С и избыточном давлении 10,5 кгс/см2. Выпускают трубы длиной 3,6; 6,0 и до 12,2 м, иногда до 18 м. Диаметр труб составляет от 50 до 1520 мм; однако могут быть изготовлены трубы большего диаметра, например недавно была изготовлена труба, диаметр которой составлял 2700 мм. Содержание связующего в этом типе труб, изготовленных контактным формованием, составляет 75%, содержание стекло-волокнистого наполнителя 25%.

Увеличение показателей модуля упругости и прочности при растяжении. В настоящее время модуль Юнга большинства изделий, изготовленных методом формования с выкладкой армирующего наполнителя вручную, составляет ~ 700 кгс/мм3. Для конструкций, полученных методом намотки, этот показатель может достигать 2000—2800 кгс/мм2. Для того чтобы армированные пластики использовались в химической промышленности для изготовления сосудов большего диаметра, например 3000—3600 мм (в настоящее время изготовляют сосуды диаметром 1500 мм), эксплуатирующихся под избыточным давлением до 7 кгс/см2 или полном вакууме, модуль упругости должен достигать 7000 — 8400 кгс/мм2 при хорошей химической стойкости материала. Имеются данные, что материал, отвечающий этим требованиям, может быть изготовлен методом пропитки под давлением специального армирующего стеклонаполнителя.Такие характеристики также могут быть достигнуты при использовании графитовых волокон в сочетании с эпоксидным связующим, однако в настоящее время большинство «экзотических» армирующих наполнителей не могут даже отдаленно конкурировать с материалами, применяющимися в химической промышленности.

Из всех видов химической металлизации никелирование армирующих наполнителей используют наиболее широко в процессах изготовления композиционных материалов. Из других химических методов следует отметить лишь меднение, хромирование, кобальти-рование и серебрение.

Из волокнистых армирующих наполнителей наибольшее рас-178

В качестве армирующих наполнителей каркасного типа возможно применение беспорядочно смятой металлической фольги толщиной 20 мкм или мелкой металлической сетки. Наполнение фторопласта в этом случае выполняется следующим образом: фольга из соответствующего металла (медь, нержавеющая сталь, алюминий), покрытая слоем фторопласта и термообработанная, сминается, спрессовывается и снова спекается. Металлическая фольга обеспечивает хороший теплоотвод и высокие механические характеристики, фторопласт — высокие антифрикционные свойства. Аналогичным образом получается материал на основе фторопласта и металлической сетки.

Одной из главных задач при создании углерод-углеродных композиционных материалов является подбор по свойствам армирующих наполнителей и их укладка. Данные (табл. G.4) по исследованию этого вопроса не дают однозначного ответа; они получены при изменении свойств волокон и их укладки в плоскости ху. Модификация осуществлялась за счет поворота на 45° при укладке каждого последующего слоя низкомодульной графитовой ткани типа WCA и заменой исходной ткани WCA другими типами, в основном из высокомодульных волокон; их характеристики содержатся в табл. 6.5. Армирующие каркасы для всех материалов, за исключением 3D, получали прошивкой по оси z пакета слоев высокомодульной графитовой нитью. Каркас мате-

Типичным примером зависимости ударной вязкости пластмассы от прочности являются армированные термореактивные смолы. Полиэфирные, эпоксидные, фенолформальдегидные и прочие термореактивные смолы — хрупкие аморфные полимеры. Благодаря присутствию армирующих наполнителей материал при нагрузке ударом обладает способностью гасить кинетическую энергию и несколько деформироваться за счет снижения силы сцепления между смолой и армирующими элементами.