Полимерных композитах

Впервые получены химико-пространственные структуры полимерных композиционных смесей на базе герметика «Аватерм-бВ», Наполненного тальком, газовой содей и медью. На основе проведенных исследований разработаны и внедрены в производство новые ресурсосберегающие и экологически чистые технологические процессы восстановления деталей и соединений двигателей и узлов трансмиссий тракторов я автомобилей с применением оптимальных по составу полимерных материалов.

Котин А. В., Майков Э. В., Логинов В. С. СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ УЗЛОВ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ............................................................... 197

Переход трибосистемы из неравновесного термодинамически нелинейного состояния в стационарное равновесное связан с образованием диссипативной поверхностной структуры, происходящим в результате самоорганизации. Для реализации процесса самоорганизации необходимы соответствующие условия. Задача создания таких условий должна решаться при выборе и разработке материалов трибосистем для конкретных условий трения, выборе смазочных материалов, конструкции деталей узлов трения. Так, при разработке полимерных композиционных материалов для металлополимерных трибосистем предложен комплекс требований к составу, структуре и свойствам (табл. 1.1), обеспечивающий минимизацию накопления энтропии в трибосисте-ме [6].

В главе 1 приведены сведения о физико-механических и триботех-нических свойствах различных полимерных композиционных материалов, применяемых для изготовления деталей узлов трения (трибосис-тем). Эти материалы представляют собой полимеры (фторопласт-4, полиэтилен, полиамид, поликарбонат и др.), модифицированные введением различных наполнителей. В главе 6 на примере ПТФЭ (фторопласт-4) подробно рассмотрено влияние наполнителей-модификатора на параметры надмолекулярной структуры полимера, которое в совокупности с физическими свойствами наполнителей определяет свойства модифицированного полимерного материала.

Рассмотрим влияние вида и количества наполнителей-модификаторов на триботехнические свойства модифицированного ПТФЭ (полимерных композиционных материалов). В работах [135, 136] исследовали механические и триботехнические свойства ряда композиций, состав которых приведен в табл. 7.3. Представленные в таблице материалы содержат либо один вид наполнителя (Ф4К20), либо два (Б48ДЗ), либо три вида наполнителей (ВЗОБ10ДЗ), а также два материала с четырьмя видами наполнителей.

Крепление образца в захватах. Создание на основе высокопрочных армирующих волокон полимерных композиционных материалов порождает значительные трудности получения стабильных значений предела прочности при растяжении этих материалов [39]. Особенно они проявляются при испытании трехмерноармированных материалов, изготовленных на основе углеродных волокон. Опытные данные и характер разрушения образцов свидетельствуют о том, что сложность получения стабильных и воспроизводимых характеристик прочности при растяжении композиционных материалов обусловливается главным образом необходимостью надежного крепления образца в захватах испытательной машины (для исключения проскальзывания), а также влиянием формы и размеров образца. Учет этих факторов особенно необходим при испытании высокопрочных композиционных материалов. Проскальзывание образца в захватах приводит к появлению на его поверхности царапин, сколов и вмятин. Повторное нагружение образца после проскальзывания часто усугубляет эти дефекты и способствует разрушению образца в местах повреждения [23, 74]. Во избежание указанного явления используют различные дополнительные приспособления или устройства, которые усложняют

Трудности испытания полимерных композиционных материалов на сдвиг заключаются в том, что в образцах трудно обеспечить состояние чистого сдвига. Все известные методы испытания на сдвиг отличаются в основном способом и степенью минимизации «побочных» деформаций и напряжений, вследствие чего всем методам свойственны некоторые физические и геометрические ограничения. Исключение составляет испытание трубчатых образцов, не вызывающее особых трудностей и позволяющее получать надежные характеристики предела прочности при сдвиге и модуля сдвига в плоскости укладки арматуры. Методика определения указанных характеристик при испытании трубчатых образцов изложена достаточно подробно в работе [78]. Испытание на сдвиг плоских образцов—более трудная задача в части создания необходимых устройств для нагружения. Современные композиционные материалы имеют, как правило, относительно небольшую толщину (1—3 мм). Нагружение на сдвиг пластинок или стержней такой толщины возможно только на установках малой мощности, но обладающих достаточной точностью.

Опыт применения полимерных композиционных материалов в других отраслях техники свидетельствует о том, что при работе с ними возникает меньше трудностей, связанных с влиянием внешних условий, чем в случае металлов.

Детали двигателя работают в более напряженных температурных режимах, чем элементы планера. Температура вентилятора и передних ступеней компрессора изменяется в пределах от окружающей температуры до 150° С, достигая в задней зоне компрессора 650° С. В указанном диапазоне температур возможно использование большого числа композиционных материалов как полимерных, так и металлических. По-видимому, наиболее эффективно применение композиционных материалов на основе металлических и термостойких полимерных (в частности, полиимидных) матриц, упрочняемых борными или углеродными волокнами. Было обнаружено, что наносимое на борные волокна покрытие карбида кремния исключает взаимодействие между наполнителем и алюминиевой или титановой матрицами в процессе изготовления материала. Рассматривается применение полимерных композиционных материалов (как полиимидных, так и эпоксидных) в корпусах двигателя и редуктора (коробки скоростей).

В отличие от военных сверхзвуковых самолетов, в которых уже на настоящем этапе возможно использование композиционных материалов, сверхзвуковые транспортные самолеты будущего поставлены в намного более тяжелые условия внешней среды. Применение существующих полимерных композиционных материалов в военной авиации упрощено в связи с относительно малой

Таблица 5 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1978. Том 6. Поверхности раздела в полимерных композитах. Под

ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА В ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТАХ

Настоящая книга является одним из 8 томов энциклопедического издания «Композиционные материалы». В ней рассматриваются практически все аспекты исследования внутренних поверхностей раздела в полимерных композитах, армированных традиционными стекловолокнами, а также борными и углеродными волокнами. Читатель найдет в книге описание современных методов исследования поверхностей раздела, анализ основных теорий аппретирования и адгезии полимерных матриц к упрочнителям. Впервые опубликованы сведения о химии поверхности высокомодульных и высокопрочных волокон бора и углерода и химии поверхности раздела в армированных ими композитах.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СИЛАНЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ АДГЕЗИИ НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА В ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТАХ

Улучшение эксплуатационных характеристик органоминераль-ных композитов путем аппретирования минерального наполнителя силанами объясняется либо уплотнением структуры полимера (теория фиксированного слоя), либо достижением внутреннего равновесия в процессе отверждения при условии более мягкой поверхности раздела (теория деформируемого слоя) (гл. 1). Изучая влияние силановых аппретов на поверхность наполнителей, Плю-деман [37] показал, что более эффективные силаны (если степень их воздействия оценивать по улучшению механических свойств композитов) стимулируют выделение большего количества тепла при отверждении смол. Эти данные согласуются с теорией фиксированного слоя, находящегося на модифицированной силанами поверхности раздела в полимерных композитах.

Релаксация напряжений в результате химического равновесия возможна только при относительно малых размерах молекул си-лана или цепей полимера на поверхности раздела. Поэтому при большой отливке термореактивной, модифицированной силаном смолы на стеклянном блоке происходит разрушение стекла в процессе циклического воздействия температуры, а та же смола в композите на основе стеклянного волокна или мелкодисперсного минерального наполнителя не вызывает растрескивания материала. Испытания на стеклянных прутках или блоках, вмонтированных в массу полимера, не воспроизводят условий, существующих на поверхности раздела в полимерных композитах, армированных стеклянным волокном.

Одной из главных проблем, связанных с возможностью применения новых волокон в полимерных композитах, является получение волокон, активность поверхности которых обеспечивает макси-

В полимерных композитах очень трудно определить пограничную область и еще труднее ее исследовать. В макромасштабе можно считать, что ее образуют две поверхности и промежуточная область между ними (рис. 8). В микромасштабе ее можно рассматривать как состоящую из атомов, находящихся на поверхности, и атомов, прилегающих к ней (рис. 9). Количество атомных

В ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТАХ . ' -•;

6. Поверхности раздела в полимерных композитах. Редактор Е. П. Плюдеман

В основном наибольшее влияние дисперсной фазы состоит в увеличении размера трещины, который влияет на все пять параметров композитов, отмеченных выше. Это влияние обычно приводит к более низкой прочности по сравнению с прочностью матрицы без второй фазы. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что размер трещины можно довести до минимума и тем самым получить оптимальную прочность композита при применении дисперсных частиц малого размера. Для этого требуется также незначительный разброс размеров частиц, а скопления частиц (агломераты) должны быть сведены до минимума посредством соответствующего метода введения дисперсной фазы. Как отмечено, модуль упругости композитов с дисперсными частицами зависит не только от упругих свойств двух фаз. Трещины, которые могут развиться в процессе охлаждения композита ниже температуры его изготовления, и псевдопоры, образованные под напряжением вследствие слабой связи по поверхностям раздела, приводят к более низким модулям упругости по сравнению с обычно вычисляемыми. Так как для получения оптимальной прочности необходим наибольший модуль упругости, наличие трещин может быть сведено до минимума, несмотря на большие остаточные термические напряжения путем изготовления композита с дисперсными частицами малого размера. Подобным образом можно избежать образования псевдопор при низком уровне приложенных напряжений путем обеспечения хорошей связи по поверхностям раздела между соединяемыми фазами. Следует отметить, что, хотя большие остаточные напряжения обычно нежелательны, они могут быть полезны в полимерных композитах для увеличения уровня приложенных напряжений, приводящих к образованию псевдопор, в тех случаях, когда невозможно получить хорошую связь по поверхностям раздела.