Волокнами материалы

Армированные волокнами композиционные материалы применяются чаще всего или в форме тонких оболочек, или как лопатки двигателей газовых турбин и компрессоров. Большинство таких элементов конструкций в процессе работы могут испытывать сильные удары, перпендикулярные плоскости армирования. Поэтому пригодность композита для практических целей определяется не только обычными конструкционными параметрами, но и его ударными свойствами.

Композиционные материалы нельзя назвать совершенно новыми: они уже широко используются в промышленности. Хотя области применения композиционных материалов и металлов аналогичны, первые открывают более широкие возможности. На их основе изготовляются самые различные изделия - начиная от жестяных консервных банок и кончая котлами для атомных реакторов из нержавеющей стали. Композиционные материалы, если даже говорить только о пластмассах, армированных волокнами, используются еще шире: от изготовления бытовых ванн до космических кораблей "Спейс шаттл". Прежде чем перейти к рассмотрению наиболее прогрессивных материалов, какими являются армированные углеродными волокнами пластмассы (углепластики), сопоставим композиционные материалы с другими материалами, а затем уже подробнее остановимся на углепластиках.

Классификация композиционных материалов, армированных волокнами. Композиционные материалы, армированные волокнами, *) можно классифицировать, как показано на рис. 1.4. Не все обозначения, приведенные на рисунке, являются общепринятыми. Например, часто используют вместо CFRTS обозначение CFRP ,и буква Р соответствует всем пластмассам, а не только термореактивным смолам. Первоначально обозначение CFRP соответствовало армированным пластмассам на основе термореактивного связующего. В настоящее время в качестве связующего по-прежнему чаще используются термореактивные смолы. Поэтому в большинстве случаев обозначения С FRP и CFRTS считают идентичными. В настоящей книге мы будем стремиться пользоваться наиболее корректными обозначениями.

Рис. 1. 4. Классификация композиционных материалов, армированных волокнами. FRCM —композиционные материалы, армированные волокнами; GFRCM — композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами; С FRCM — композиционные материалы, армированные углеродными волокнами; BFRCM — композиционные материалы, армированные борными волокнами; AFRCM — композиционные материалы, армированные арамидными волокнами; CFRP — углепластики; CFRTS — термореактивные смолы, армированные углеродными волокнами; CFRTP — термопласты, армированные углеродными волокнами; CF/EP — эпоксидные углепластики; CF/AI — композиционные материалы на основе алюминия и углеродных волокон.

Композиционные материалы, армированные углеродными волокнами. Армированные углеродными волокнами композиционные материалы в зависимости от типа матрицы делятся на армированные пластмассы и армированные металлы. Рассмотрим их особенности на примере широко применяемых на практике углепластиков. Как следует из данных, приведенных в табл. 1.1, среди всех армирующих волокон только арамидные волокна имеют плотность, меньшую плотности углеродных волокон. Но высокопрочные углеродные волокна прочнее арамидных, а высокомодульные углеродные волокна имеют модуль упругости, близкий к модулю упругости борных волокон. Поэтому именно углеродные волокна нашли широкое применение в конструкциях, которые должны иметь ограниченный вес. Среди всех армированных пластмасс углепластики обладают наиболее высокими стойкостью к усталостным испытаниям и долговечностью. Углепластики хорошо проводят электрический ток и могут использоваться для изготовления плоских нагревательных панелей. Углепластики плохо пропускают рентгеновские лучи. Они имеют очень низкий коэффициент линейного расширения и оказываются наиболее подходящими материалами для конструирования космических аппаратов, подвергающихся значительным перепадам температур между солнечной и теневой сторонами. В то же время они хрупки и обладают низкой ударной прочностью. Поэтому во многих случаях предпочти-

В марте 1983 г. в Японии был осуществлен первый эксперимент в космосе. Поэтому понятен интерес японских специалистов к тому, что в космическом корабле "Спейс шаттл" уже используются углепластики, например для изготовления створок багажного отсека и стержня антенны дистанционного управления кораблем. Кроме того, при производстве фюзеляжа, крыльев и других деталей корабля "Спейс шаттл", нагревающихся до высокой температуры во время возвращения на Землю, тоже используются армированные углеродными волокнами композиционные материалы.

Композиционные материалы нельзя назвать совершенно новыми: они уже широко используются в промышленности. Хотя области применения композиционных материалов и металлов аналогичны, первые открывают более широкие возможности. На их основе изготовляются самые различные изделия — начиная от жестяных консервных банок и кончая котлами для атомных реакторов из нержавеющей стали. Композиционные материалы, если даже говорить только о пластмассах, армированных волокнами, используются еще шире: от изготовления бытовых ванн до космических кораблей "Спейс шаттл". Прежде чем перейти к рассмотрению наиболее прогрессивных материалов, какими являются армированные углеродными волокнами пластмассы (углепластики), сопоставим композиционные материалы с другими материалами, а затем уже подробнее остановимся на углепластиках.

Композиционные материалы, армированные углеродными волокнами. Армированные углеродными волокнами композиционные материалы в зависимости от типа матрицы делятся на армированные пластмассы и армированные металлы. Рассмотрим их особенности на примере широко применяемых на практике углепластиков. Как следует из данных, приведенных в табл. 1.1, среди всех армирующих волокон только арамидные волокна имеют плотность, меньшую плотности углеродных волокон. Но высокопрочные углеродные волокна прочнее арамидных, а высокомодульные углеродные волокна имеют модуль упругости, близкий к модулю упругости борных волокон. Поэтому именно углеродные волокна нашли широкое применение в конструкциях, которые должны иметь ограниченный вес. Среди всех армированных пластмасс углепластики обладают наиболее высокими стойкостью к усталостным испытаниям и долговечностью. Углепластики хорошо проводят электрический ток и могут использоваться для изготовления плоских нагревательных панелей. Углепластики плохо пропускают рентгеновские лучи. Они имеют очень низкий коэффициент линейного расширения и оказываются наиболее подходящими материалами для конструирования космических аппаратов, подвергающихся значительным перепадам температур между солнечной и теневой сторонами. В то же время они хрупки и обладают низкой ударной прочностью. Поэтому во многих случаях предпочти-

В марте 1983 г. в Японии был осуществлен первый эксперимент в космосе. Поэтому понятен интерес японских специалистов к тому, что в космическом корабле "Спейс шаттл" уже используются углепластики, например для изготовления створок багажного отсека и стержня антенны дистанционного управления кораблем. Кроме того, при производстве фюзеляжа, крыльев и других деталей корабля "Спейс шаттл", нагревающихся до высокой температуры во время возвращения на Землю, тоже используются армированные углеродными волокнами композиционные материалы.

2.4. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С КОРОТКИМИ ВОЛОКНАМИ

Композиционные материалы с короткими волокнами занимают промежуточное положение между композициями с дисперсными наполнителями и композиционными материалами с непрерывными волокнами, обладающими высокими механическими характеристиками. Поэтому прежде чем переходить к анализу свойств коротко-волокнистых композиционных материалов, следует коснуться свойств материалов с непрерывными волокнами, теории усиления которых развиты и проверены в наилучшей степени.

Принципиально иной способ достижения высокой конструкционной прочности использован в композиционных материалах — новом классе высокопрочных материалов. Такие материалы представляют собой композицию из мягкой матрицы и высокопрочных волокон. Волокна армируют матрицу и воспринимают всю нагрузку. В этом состоит принципиальное отличие композиционных материалов от обычных сплавов, упрочненных, например, дисперсными частицами. В сплавах основную нагрузку воспринимает матрица (твердый раствор), а дисперсные частицы тормозят в ней движение дислокаций, сильно снижая тем самым ее пластичность. В композиционных материалах нагрузку воспринимают высокопрочные волокна, связанные между собой пластичной матрицей. Матрица нагружена слабо и служит для передачи и распределения нагрузки между волокнами. Композиционные материалы отличаются высоким сопротивлением распространению трещин, так как при ее образовании, например, из-за разрушения волокна, трещина «вязнет» в мягкой матрице. Кроме того, композиционные материалы, использующие высокопрочные и высокомодульные волокна и легкую матрицу, могут обладать высокими удельной прочностью и жесткостью.

С минеральным порошковидным наполнителем С асбестом С синтетическими волокнами Материалы на основе диал-лифталата

Показатели свойств С минеральным порошковидным наполнителем С асбестом С синтетическими волокнами Материалы на основе диал-лифталата

2. Армированные волокнами материалы..........................181

1 Армированные волокнами материалы

3 металлы, биме-сц лы, армированное волокнами материалы

Армированные волокнами материалы на основе полимерных или металлических матриц используются в производстве самых разнообразных изделий. Армированные пластики существенно отличаются по своим свойствам от материалов на основе металлической матрицы. Свойства Материалов, армированных волокнами, сильно зависят от методов их получения и переработки. Поэтому условия получения материалов и изделий должны быть известны специалистам, занимающимся созданием и применением армированных материалов. В данной главе рассмотрены вопросы получения и переработки углепластиков. Свойства изделий из углепластиков определяются типом используемого углеродного волокна, типом полимерной матрицы и методом получения материала. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выбирать наиболее подходящие условия производства изделий из .углепластиков. После их изготовления иногда бывает Необходимо проводить дополнительную обработку (сверление отверстий, внешнюю отделку и т.д.). Для изготовления углепластиков требуются не только высококачественные исходные материалы, но и эффективные методы их получения и переработки.

3 металлы, биме- лы, армированное волокнами материалы

Армированные волокнами материалы на основе полимерных или металлических матриц используются в производстве самых разнообразных изделий. Армированные пластики существенно отличаются по своим свойствам от материалов на основе металлической матрицы. Свойства Материалов, армированных волокнами, сильно зависят от методов их получения и переработки. Поэтому условия получения материалов и изделий должны быть известны специалистам, занимающимся созданием и применением армированных материалов. В данной главе рассмотрены вопросы получения и переработки углепластиков. Свойства изделий из углепластиков определяются типом используемого углеродного волокна, типом полимерной матрицы и методом получения материала. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выбирать наиболее подходящие условия производства изделий из .углепластиков. После их изготовления иногда бывает необходимо проводить дополнительную обработку (сверление отверстий, внешнюю отделку и т.д.). Для изготовления углепластиков требуются не только высококачественные исходные материалы, но и эффективные методы их получения и переработки.