Полимерном связующем

Пенопласты - материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Объемная масса пенопластов колеблет-

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон). Они водо- и химически стойкие.

ПЛАСТБЕТОН — искусств. строит, материал, затвердевшая смесь полимерного связующего с минер, заполнителем (песком, щебнем); то же, что полимербетон.

СТЕКЛОПЛАСТИКИ — композиц. материалы на основе органич. или неорганич. полимерного связующего и стек, наполнителя. Из органич. связующих наибольшее применение получили полиэфирные, феноло(анилино)-формальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганич. полимеры и нек-рые термопласты; среди неорганич. связующих — алю-мофосфаты и щелочные силикаты. В качестве наполнителя применяют гл. обр. стек, волокна в виде отд. нитей, жгутов (ровингов), стеклотканей, стеклошпона, стекломатов и рубленых волокон; реже — стек, плёнки, чешуйки и микросферы. С. на основе стек, волокон (напр., стеклово-локниты, стеклотекстолит ы) характеризуются сочетанием высокой прочности, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокими электроизоляц. св-вами, радиопрозрачностью. Их применяют как конструкц. материал в судостроении (корпуса лодок, катеров и др. судов), на транспорте (кузова легковых и грузовых автомобилей, рефрижераторов, цистерны, элементы вагонов), в авиации и ракетной технике (радиопрозрачные обтекатели, лопасти вертолётов, силовые элементы), в хим. пром-сти (коррозионно-стойкое оборудование и трубопроводы), в стр-ве (несущие и облицовочные элементы, небольшие здания, бассейны для плавания), как электроизоляц. материал в электро- и радиотехнике и т. п.

Основная трудность состоит в определении флуктуационных составляющих полей напряжений и деформаций оу и rf по координатам типичного объема материала. В общем случае вторые слагаемые в (3.2) и (3.3) представляются интегральными операторами [83], для отыскания которых необходимо решение задачи теории упругости для многосвязной области или вязко-упругости при учете вязкоупругих свойств полимерного связующего. Эти операторы должны отражать степень взаимного влияния компонентов материала, т. е. влияние их относительного расположения на сложное напряженно- деформированное состояние, возникающее в каждом компоненте материала. Известно, что при растяжении или сдвиге типичного объема композиционного материала в компонентах возникают существенно неодно-

держанием и ориентацией армирующих волокон, а также характеристиками полимерного связующего. Теоретическое описание прочности этих материалов с учетом указанных факторов представляет большие трудности [6, 7]. Задача прогнозирования прочности в настоящее время полностью не решена даже для однонаправленных и ортогонально-армированных слоистых композиционных материалов, изготовленных на основе прямолинейных волокон. Основные трудности определяются такими факторами, как сложность структурных схем армирования, нелинейность диаграмм а (е) при напряжениях выше 0,5 от разрушающих, образование макротрещин в материале (нарушение сплошности в связующем) при нагружении в направлении искривленных волокон.

Способы вискеризации. Можно ви-скеризовать различные виды волокон. Особенно перспективна вискеризация углеродных волокон, поскольку при создании углепластиков возникают наибольшие трудности при достижении хорошего сцепления арматуры и матрицы. Возможны два пути улучшения сцепления: поверхностное покрытие и вискеризация. Вследствие технологических преимуществ для вискеризации волокон в основном используют нитевидные кристаллы ТЮ2, A1N и Si3N4 [25]. Вискеризация арматуры осуществляется выращиванием нитевидных кристаллов из газовой фазы и осаждением нитевидных кристаллов из аэрозоля и суспензии. Для первого метода характерно наличие жесткого соединения волокон с кристаллами (рис. 7.1); соединение волокон с кристаллами при двух других методах — податливое (осуществляется за счет полимерного связующего).

соответственно модуль упругости и радиус инерции волокна, Для композиционных материалов на основе высокомодульных волокон и полимерного связующего отношение EJCM может достигать 102, т. е. эффект дисперсии, связанный с наличием волокон, может быть существенным, даже если длина волны значительно превышает диаметр волокна. Такая модель, однако, не предсказывает дисперсию для продольных волн. Эта проблема была успешно решена для слоистого композиционного материала в работах Сана и др. [167] и Ахенбаха и др. [6, 7], а для волокнистого материала — в работе Ахенбаха и Сана [5]. Полученные соотношения дисперсии правильно описывают явление при малых частотах (рис. 12). Они были сопоставлены с точным гармоническим волновым решением для материала с чередующимися изотропными слоями, найденным Саном и др. [166], и, как следует из рис. 12, удовлетворительно согласуются с ним при низких частотах и для материалов, модули упругости которых отличаются не слишком сильно.

Аналогичные исследования были выполнены по методике Шарпи, Новаком и ДеКрессенте [128], которые изучили ударное нагружение однонаправленных угле-, боро- и'стеклопластиков. Они установили, что жесткость полимерного связующего не ока-

логия изготовления многих современных композитов с высокими рабочими характеристиками разработана на основе результатов исследований поверхности раздела стекловолокно — полимер [(22, 35, 36, 38, 45, 34]. В настоящее время установлено, что поверхность раздела, через которую напряжение при сдвиге должно эффективно передаваться от низкомодульного полимерного связующего к высокомодульному волокну, играет важную роль во всех наполненных пластиках. В последние годы внимание многих ученых было направлено на изучение упрочненных термопластов и усиленных стекловолокном шин. Благодаря использованию силановых аппретов в 60-х годах применение пластиков, армированных стекловолокном, значительно расширилось и достигло в 1970 г. 450 млн. т. За последние 4 года широкое развитие получили упрочненные стекловолокном термопласты, выпуск которых в настоящее время составляет 45 тыс. т в год.

Типы полимерного связующего, наполнителя или'упрочнителя, их распределение и ориентация играют очень большую роль в получении требуемых эксплуатационных свойств композита. Существенное влияние на прочность композитов оказывают температура эксплуатации, а также технология изготовления композита и методы введения силанов.

В неотвержденном состоянии полуфабрикат композита состоит из непрерывных параллельных волокон, расположен-, ных в вязком частично отвержденном полимерном связующем. В таком состоянии однонаправленные слои композита

СТЕКЛОПЛАСТИК ОРИЕНТИРОВАННЫЙ (СВАМ, АГ-4с) — пластмасса, армированная параллельно расположенными волокнами, нитями или жгутами. С. о.— конструкционный и электроизоляционный материал, специфич. особенности к-рого определяются способом его получения, переработки и св-вами исходных компонентов (стеклянных волокон и полимерных связующих). Для С. о. характерны: сочетание высокой прочности и малого уд. веса; ярко выраженная анизотропия физико-механич. св-в, позволяющая усиливать материал конструкции в заданном направлении в соответствии с распределением напряжений в деталях; стойкость к агрессивным средам; незагнивае-мость; немагнитность и высокие диэлект-рич. св-ва; малая теплопроводность. Повышенные физико-механич. св-ва обусловливаются возможностью эффективного использования прочности тонких стеклянных волокон в С. о. Это достигается строгой ориентацией и натяжением волокон в полимерном связующем; отсутствием переплетений, вызывающих дополнит, напряжения и уменьшение прочности, особенно при сжатии; частичным или полным исключением текстильной переработки, снижающей прочность самих волокон; применением полимерных связующих, обеспечивающих совместную работу системы волокон вплоть до момента разрушения. В С. о. можно использовать стеклянные волокна диаметром свыше 10—12 мк (к-рые вследствие малой гибкости не могут применяться в произ-ве стеклотканей). Для получения С. о. применяются гл. обр. стеклянные волокна алюмоборосиликатного, реже кальциевонатриевого и др. составов. Оптимальное содержание стекла в С. о. 78—85% (по весу). Выбор связующих определяется требованиями к прочности, жесткости, термо- и влагостойкости, диэлек-трич. св-вам и др., а также технологич. и экономич. соображениями. От упругих и неупругих хар-к связующих, их когезион-ной прочности и адгезии к стеклу, смачиваемости, обусловливающей равномерное распределение пленок на поверхности волокон, зависит степень использования прочности волокон и св-ва материала. Широкое применение в С. о. находят композиции

Для ответа на этот вопрос необходимо несколько углубиться в специфику поведения ФПМ в процессе трения. ФПМ являются композиционными материалами на полимерном связующем (смоляном, каучуковом или комбинированном). В качестве наполнителей используют различные металлические, минеральные и органические вещества.

Способ магнитной ориентации частиц наполнителя в клеевой прослойке наиболее эффективен при соблюдении следующих условий: 1) наполнитель должен обладать ферромагнитными свойствами; 2) клеевая композиция должна быть маловязкой; 3) клеевая композиция должна иметь высокую скорость отверждения. Для расчета термического сопротивления клеевой прослойки, обработанной в статическом магнитном поле, представим ее модель (рис. 5-1), введя допущения: применяется монодисперсный ферромагнитный наполнитель, состоящий из частиц, по форме близких к сферическим; под действием внешнего магнитного поля частицы наполнителя в полимерном связующем образуют однородные, выстроенные в направлении силовых линий поля, изолированные друг от друга, и равномерно распределенные цепочки.

Таким образом, в соответствии с рассматриваемой моделью поведения монослоя [241, кроме двух естественных его состояний — • начального (монолитный материал) и конечного (материал разрушен) — существует группа промежуточных состояний: материал с трещинами в полимерном связующем. В этой группе, в свою очередь, можно выделить группу состояний материала с открытыми трещинами (трещины разомкнуты) и группу состояний материала с закрытыми трещинами (трещины сомкнуты). Знак напряжения а2 определяет группу состояний материала: при положительных значениях а2 трещины открыты, при отрицательных (сжатие) — закрыты.

Теплофнзические характеристики бороволокнитов так же, как и карбо! волокнитов, анизотропны. Бороводоц. ииты стойки к воздействию проникаю" щей радиации. Длительное воздействие воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов не влияет на изменение их механических свойств Карбоволокниты с углеродной матрицей находят применение для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры, заменяя различные типы графитов. Сохранение углеродными волокнами присущей им высокой прочности до температуры сублимации, высокая прочность сцепления с коксом связующего придает этим композициям высокие механические и абляционные свойства, стойкость к термическому удару и другие ценные свойства. Процесс изготовления карбоволо-книтов с углеродной матрицей состоит из трех стадий: получения обычного карбоволокнита на полимерном связующем, пиролиза полученного карбоволокнита в инертной или восстановительной среде при температуре 1000—1500 °С, переуплотнения дополнительной пропиткой связующим с последующей карбонизацией или пироуглеродом.

Задача определения поперечной ползучести монослоя сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений совместно с уравнениями деформирования компонент. Полагаем, что волокна являются трансверсалъно-изотропными и упругими, а полимерное связующее деформируется согласно зависимости (5.1.48). В итоге получаем зависимости для определения напряжений в волокнах и полимерном связующем в любой момент времени. Оказывается, что полимерное связующее находится в неоднородном трехосном напряженном состоянии. В случае монослоев с борными или стеклянными волокнами это напряженное состояние практически не меняется во время нагружения. Деформации ползучести монослоя при поперечном нагружении определяются зависимостью

Для монослоев с анизотропными волокнами (углеродные, органические) изложенная методика является весьма приближенной. Напряженное состояние компонентов угле- и органо-пластиков при поперечном нагружении изменяется во времени. Так, например, в углепластике максимальное значение напряжения в полимерном связующем в процессе ползучести может увеличиться на 30 %.

напряжения монослоя в координатах х, у. В случае осевого нагружения в напраалении армирования 1 в компонентах монослоя создается неоднородное напряженное состояние вследствие различия значений коэффициентов Пуассона полимерного связующего и волокон. Чем больше это различие, тем больше абсолютные значения поперечных напряжений. Однако максимальные значения напряжений в направлениях, поперечных к направлению нагружения, незначительны. Так, для угле- и стеклопластиков эти напряжения не превышают 10-12 % от напряжений в направлении армирования. Для практических расчетов этими напряжениями можно пренебречь. В таком случае напряжения в направлении нагружения в полимерном связующем и в волокнах будут распределяться пропорционально их модулям упругости:

Так как отношение модулей упругости волокон в осевом направлении Е% и полимерного связующего Ет для высокомодульных волокон составляет 40-100, то напряжения в полимерном связующем при продольном осевом нагружении монослоя не превышают 1-2,5 % напряжений в волокнах.

Рис. 5.1.8. Схема ориентации компонент напряжений в полимерном связующем при поперечном нагружении