Полимерные композиты

Весьма перспективны для использования в агрессивных средах полимерные композиционные материалы на основе фторопласта-4,

Основным методом модификации полимерных материалов является введение в полимер различных наполнителей органического и неорганического происхождения. Продукты такой модификации - полимерные композиционные материалы, широко применяются в промышленности, поскольку обладают высокими механическими и триботехни-ческими свойствами. Введение наполнителей в виде дисперсных порошков и измельченных волокон на стадии переработки исходных полимерных материалов в изделия с обязательной термообработкой вызывает глубокие структурные изменения в кристаллических и кристаллоаморфных полимерах.

Таким образом, несмотря на то, что полимерные композиционные материалы представлены более широко, возможность использования боралюминия следует считать достаточно перспективной. В настоящее время, однако, наиболее широко используются материалы на основе эпоксидных смол, они более изучены и дешевы.

В последние годы в нефтяной и газовой промышленности широкое применение находят полимерные композиционные материалы. При бурении сверхглубоких скважин (свыше 5000 м) целесообразно использовать слоистые обсадные трубы из композиционных материалов, что позволяет значительно уменьшить вес колонны, сэкономить металл и повысить коррозионную стойкость.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) или армированные пластики состоят из высокопрочных волокон (частиц, слоев) различной природы (стеклянных, углеродных, металлических, полимерных и др.) и полимерного связующего - матрицы, склеивающей волокна в монолитный материал. Настоящий бум в современном материаловедении возник в конце первой половины XX в., когда появились прочные и легкие стеклопластики и из них начали делать планеры, а затем и многое другое.

21. Берлин А.А. Современные полимерные композиционные материалы // Соросовский образовательный журнал, 1995. -№1. С.57-65.

В конструкции летательных аппара-. тов все более широко начинают при-' лениться полимерные композиционные материалы (КМ), которые по сравнению с традиционными сплавами имеют ряд преимуществ, позволяющих значительно снизить массу, повысить прочность, жесткость, теплостойкость конструкций. При создании таких материалов применяют непрерывные и дискретные поликристаллические волокна и нитевидные кристаллы бора, углерода и различных соединений (оксидов, карбидов, боридов, нитридов л др.). В табл. 144 приведены свойства наиболее распространенных в СССР и за рубежом полимерных КМ на ос-иове непрерывных стеклянных, углеродных, борных и органических волокон. Из большого числа разработанных полимерных КМ наиболее перспективными являются КМ на основе углеродных волокон, т. е. углепла-

В зависимости от материала матрицы КМ можно разделить на следующие основные группы: композиции с металлической матрицей - металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной - полимерные композиционные материалы (ПКМ), с резиновой - резиновые композиционные материалы (РКМ) и с керамической - керамические композиционные материалы (ККМ).

Армированные полимеры, или полимерные композиционные материалы (ПКМ), представляют собой полимерную основу (матрицу), содержащую тонкие армирующие (упрочняющие) высокопрочные волокна из стекла, углерода, бо-ра,органических материалов и т.п. В зависимости от типа армирующих волокон ПКМ называют стекло-, угле-, боро- и

9.3. Пластмассы и полимерные композиционные материалы

9.3. Пластмассы и полимерные композиционные материалы...,...................150

Механические свойства композиционных материалов и их составных частей меняются под влиянием окружающей среды и химического старения, особенно при изменении температуры и под действием воды (водяных паров) на полимерные композиты (см., например, Фрид [33], Стил [111], Цай [118]). Такие эффекты часто необратимы и приводят к изменению свойств материала со временем. Мы интересуемся здесь только способом, которым можно учесть эти влияния в определяющих уравнениях вязко-упругого материала. Детальное обсуждение физического и химического механизмов, приводящих к подобным изменениям, а также математическое их описание остаются вне рамок настоящей главы.

Стабильность поверхности раздела является одним из основных требований к металлическим композитным материалам. Перспективность композитов во многом определяется степенью выполнения этого требования. Металлические композитные материалы наиболее перспективны для применения при высоких температурах, при которых полимерные композиты нестабильны, а удовле-творить техническим требованиям могут лишь те материалы, которые стабильны сотни, а лучше тысячи часов.

B. Полимерные композиты............ 109

В. Полимерные композиты

Влияние воды на армированные минеральным наполнителем полимерные композиты может быть довольно сложным в зависимости от природы полимера и наполнителя. У таких чувствительных к воде полимеров, как найлон, адсорбция воды вызывает набухание и снижение модуля упругости. Термореактивные' смолы, например полиэфиры, в горячей воде вначале набухают, а затем сжимаются до исходного объема в результате выделения растворимых веществ и процесса полимеризации остаточных функциональных групп [3]. Первоначальное набухание в воде приводит к снижению усадочных напряжений в полимере, и поэтому механические свойства композитов могут улучшаться при кратковременной выдержке, пока не начинается деструкция полимера или взаимодействие воды с поверхностью раздела. Полиолефины и кремнийорганические смолы относительно инертны к воздействию воды.

\. Полимерные композиты, армированные волокном

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.

' Автор имеет в виду, по всей вероятности, так называемые молекулярные полимерные композиты и металлокомпозиты, в которых благодаря регулированию условий кристаллизации удается осуществить рост части кристаллов в заданном направлении. - Прим. ред. 2) В дальнейшем изложении название "составные" мы опускаем. - Прим. ред.

Автор имеет в виду, по всей вероятности, так называемые молекулярные полимерные композиты и металлокомпозиты, в которых благодаря регулированию условий кристаллизации удается осуществить рост части кристаллов в заданном направлении. - Прим. ред. В дальнейшем изложении название "составные" мы опускаем. - Прим. ред.

Полимерные композиты. Стремление сократить собственную взлетную массу ракет-"'" чтелей привело к замене металлов композиционными материалами

Исключение из данного ряда композитов составляют древесно —полимерные композиты и, в частности, древесностружечные плиты. Поэтому возможности фрактального подхода, в плане исследования влияния структурных и технологических факторов на прочность пористых случайно—неоднородных композитов, продемонстрированы именно на этом классическом и одном из старейших материалов.

С позиций теории и практики проектирования несущих конструкций армированные полимерные композиты обладают весьма важной особенностью, которая заключается в возможности варьирования их механических свойств в широких пределах за счет изменения состава, концентрации и взаимного расположения армирующих элементов. Практическое использование этой особенности армированных композитов, реализуемое в процессе оптимального проектирования, позволяет получать конструкции, в которых эффективно учитываются не только их назначение, условия эксплуатации, но и технология изготовления. Эта принципиаль-