Волокнами термопластов

Армирование металлов высокопрочными волокнами позволяет получать материалы с чрезвычайно высокой прочностью и жесткостью. В таких материалах волокно является главным компонентом, несущим нагрузку. Матрица передает внешнюю нагрузку волокнам, связывает волокна вместе, защищает их от повреждения и воздействия внешней среды и придает материалу другие требуемые физико-химические свойства, например сопротивление окислению или коррозии, электро- и теплопроводность и т. д.

Сравнение схем армирования с прямыми и криволинейными волокнами, согласно таблице, показывает, что повышение значения объемного коэффициента армирования у материалов с искривленными волокнами позволяет управлять упругими свойствами пространственно-армированного композиционного материала во всех направлениях. Такое управление в случае пространственного армирования одними прямолинейными волокнами ограничивается резким снижением общего объема арматуры в материале, соответствующим понижением его упругих констант и предела сопротивления при нагружении.

волокнами. Получить материал с ориентированными определенным образом дискретными волокнами позволяет применение электромагнитного силового поля. Воздействуя электромагнитным силовым полем на дискретные волокна, вводимые в струю расплавленного металла, можно получить пруток с однонаправленной структурой упрочнителя.

Например, композиция эвтектического состава InSb—Sb, получаемая методом направленной кристаллизации, нашла применение в бесконтактных переменных резисторах; бесщеточных коммутаторах; в устройствах для измерения величины магнитного поля, для осуществления термомагнитного охлаждения и термомагнитного преобразования тепловой энергии в электрическую [9]. Композиции системы InSb—Sb обладают термоэлектрическими свойствами. Армирование ядерного горючего в виде двуокиси урана вольфрамовыми волокнами позволяет на 30 % повысить теплопроводность в направлении волокон (по зарубежным публикациям). Такое горючее используется в случаях, когда необходимо быстрое выделение теплоты. Разработан многожильный композиционный проводник, содержащий 13 225 микроволокон толщиной 5,4 мкм, общим диаметром 1 мм, способный пропускать ток 430 А в поле 4-106А/м [10]. Получен сверхпроводящий провод на основе соединений Nb3Sn, способный пропускать ток плотностью 1,5-106 А/см2 в поле 7-10е А/м. Технология получения такого провода заключается в совместной деформации и последующем отжиге пучка ниобиевых проволок, покрытых слоем олова [10]. Композиционные материалы типа металл-изолятор, металл—полупроводник, металл—сверхпроводник могут быть получены путем пропитки стекла под высоким давлением или методом замещения легкоплавкой эвтектики. Критические магнитные поля стеклометаллической композиции на основе сплава РЬ—ЕЙ—Sb достигают 8-Ю6 А/м при температуре 4,2 К-Токонесущая способность композиции составляет 105 А/см2 в поле 8-Ю5 А/м. Ленты и нити из такого материала обладают высокой гибкостью [10].

Сравнение схем армирования с прямыми и криволинейными волокнами, согласно таблице, показывает, что повышение значения объемного коэффициента армирования у материалов с искривленными волокнами позволяет управлять упругими свойствами пространственно-армированного композиционного материала во всех направлениях. Такое управление в случае пространственного армирования одними прямолинейными волокнами ограничивается резким снижением общего объема арматуры в материале, соответствующим понижением его упругих констант и предела сопротивления при нагружении.

Использование магния и магниевых сплавов в качестве матрицы, армированной высокопрочными и высокомодульными волокнами, позволяет создать легкие конструкционные материалы с повышенными удельной прочностью, жаропрочностью и модулем упругости.

Высокопрочные композиты на основе. керамики получают путем армирования ее волокнистыми наполнителями, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами. Армирование непрерывными волокнами позволяет получать ККМ, характеризующиеся повышенной вязкостью, а армирование частицами приводит к резком}' возрастанию прочности за счет создания барьеров на пути движения дислокаций.

Армирование металлов высокопрочными волокнами позволяет получать материалы с чрезвычайно высокой прочностью и жесткостью. В таких материалах волокно является главным компонентом, несущим нагрузку. Матрица передает внешнюю нагрузку волокнам, связывает волокна вместе, защищает их от повреждения и воздействия внешней среды и придает материалу другие требуемые физико-химические свбйства, например сопротивление окислению пли коррозии, электро- и теплопроводность и т. д.

Композиты обладают комплексом свойств и особенностей, существенно отличающих их от традиционных конструкционных материалов (металлических сплавов) и открывающих широкие возможности как для совершенствования существующих конструкций, так и для разработки новых перспективных конструктивных форм и технологических процессов. Композиты, как правило, обладают высокой удельной прочностью и жесткостью, хорошей сопротивляемостью хрупкому разрушению. Кроме того, материалы на основе полимерных матриц отличаются высокой коррозионной стойкостью; сочетание этих матриц с органическими или стеклянными волокнами позволяет получить материал, обладающий электроизоляционными свойствами и радиопрозрачностью, а комбинация полимерной или металлической матриц и углеродных волокон обеспечивает электропроводность.

Упрочнение алюминия, магния и титана и их сплавов высокопрочными или выеёкомодульными волокнами позволяет создавать КМ с высокой удельной прочностью и жесткостью и регулируемой анизотропией. Под удельной прочностью понимают прочность материала, отнесенную к его плотности: студ = сгуу. Под удельной жесткостью понимают отношение модуля упругости материала к его плотности: Еуя = Е/у. В качестве армирующих элементов используют волокна бора, борсика, углерода (УВ), карбида кремния, высоко-

Одними из перспективных в настоящее время считаются волокнистые композиционные материалы (ВИЛ), армированные волокнами из углеродных материалов. Армирование такими волокнами позволяет получать высокопрочные и коррозионноустойчивые ВКМ.

ными волокнами термопластов (разд. 3.1.2) чаще всего используются не непрерывные, а короткие (рубленые) углеродные волокна. При этом тоже происходит упрочнение материалов волокнами, хотя короткие волокна располагаются в объеме (или в слоях) материала, как правило, хаотично.

Изоду) [2] . Из данных, приведенных на рис. 3.1, следует, что для пласти ка на основе найлона 66 существует сбалансированность всех трех механи ческих характеристик при испытании во влажной среде. Максимальны! модуль упругости имеет материал на основе полифениленсульфида, не его ударная вязкость низка. Наибольшей ударной вязкостью обладает на полненный углеродными волокнами ударопрочный найлон, но у неге очень низкий модуль упругости. Так как механические свойства наполнен ных волокнами термопластов сильно различаются, необходимо классифицировать их также в соответствии с областями применения. Для иллюстрации на рис. 3. 2 приведены температурные зависимости модуля упругости и прочности при изгибе термопластов, армированных углеродными волокнами [3], а на рис. 3. З1^ - триботехнические характеристики армированных термопластов [3] . Из этого рисунка следует, что термопласты, армированные углеродными волокнами, обладают лучшими триботехничес-кими свойствами по сравнению с неармированными или содержащими стекловолокна термопластами. Характерно, что армированные пластики

7 лет приблизительно на 660 кг. В табл. 6.11 приведен прогноз по изменению соотношения между количеством различных конструкционных материалов, используемых в производстве легковых автомобилей в США. Предполагается посредством замены деталей из стали и чугуна на детали из углепластиков, стеклопластиков, армированных углеродными или стеклянными волокнами термопластов, и других конструкционных полимерных материалов снизить массу автомобилей за 10 лет приблизительно на 320 кг. Такое снижение массы автомобилей соответствует приблизительно лишь 50% ее величины, необходимой для достижения контрольных цифр по расходу горючего. Поэтому наряду с использованием новых перспективных материалов следует уменьшать размеры автомобилей, увеличивать эффективность использования энергии и осуществлять другие меры по снижению расхода горючего.

ные) валы, рессоры и другие детали из углепластиков, а фирма "Плимут" (США) ведет работы по применению углепластиков в деталях двигателя. Например, значительное повышение экономичности двигателя достигается благодаря снижению массы поршневых пальцев, шатунов, штока толкателя клапана, клапанного коромысла и других деталей двигателя. По сравнению с другими материалами использование углепластиков, в том числе армированных волокнами термопластов, экономически целесообразно. Полимерная матрица должна выдерживать в условиях эксплуатации высокие температуры и нагрузки. Поэтому изучается возможность использования в качестве полимерных матриц термостой-

ными волокнами термопластов (разд. 3.1.2) чаще всего используются не непрерывные, а короткие (рубленые) углеродные волокна. При этом тоже происходит упрочнение материалов волокнами, хотя короткие волокна располагаются в объеме (или в слоях) материала, как правило, хаотично.

Изоду) [2] . Из данных, приведенных на рис. 3.1, следует, что для пластика на основе найлона 66 существует сбалансированность всех трех механических характеристик при испытании во влажной среде. Максимальный модуль упругости имеет материал на основе полифениленсульфида, но его ударная вязкость низка. Наибольшей ударной вязкостью обладает наполненный углеродными волокнами ударопрочный найлон, но у него очень низкий модуль упругости. Так как механические свойства наполненных волокнами термопластов сильно различаются, необходимо классифицировать их также в соответствии с областями применения. Для иллюстрации на рис. 3. 2 приведены температурные зависимости модуля упругости и прочности при изгибе термопластов, армированных углеродными волокнами [3], а на рис. 3. 3'^ - триботехнические характеристики армированных термопластов [3] . Из этого рисунка следует, что термопласты, армированные углеродными волокнами, обладают лучшими триботехничес-кими свойствами по сравнению с неармированными или содержащими стекловолокна термопластами. Характерно, что армированные пластики

7 лет приблизительно на 660 кг. В табл. 6.11 приведен прогноз по изменению соотношения между количеством различных конструкционных материалов, используемых в производстве легковых автомобилей в США. Предполагается посредством замены деталей из стали и чугуна на детали из углепластиков, стеклопластиков, армированных углеродными или стеклянными волокнами термопластов, и других конструкционных полимерных материалов снизить массу автомобилей за 10 лет приблизительно на 320 кг. Такое снижение массы автомобилей соответствует приблизительно лишь 50% ее величины, необходимой для достижения контрольных цифр по расходу горючего. Поэтому наряду с использованием новых перспективных материалов следует уменьшать размеры автомобилей, увеличивать эффективность использования энергии и осуществлять другие меры по снижению расхода горючего.

ные) валы, рессоры и другие детали из углепластиков, а фирма "Плимут" (США) ведет работы по применению углепластиков в деталях двигателя. Например, значительное повышение экономичности двигателя достигается благодаря снижению массы поршневых пальцев, шатунов, штока толкателя клапана, клапанного коромысла и других деталей двигателя. По сравнению с другими материалами использование углепластиков, в том числе армированных волокнами термопластов, экономически целесообразно. Полимерная матрица должна выдерживать в условиях эксплуатации высокие температуры и нагрузки. Поэтому изучается возможность использования в качестве полимерных матриц термостой-

В работе [53] были проведены сравнительные исследования экономических и эксплуатационных факторов, определяющих армирование короткими волокнами термопластов. Авторы работы пришли к выводу, что использование углеродных волокон в то время (1971 г.) было совершенно нецелесообразным. Однако в настоящее время ситуация сложилась несколько более благоприятно для углеродных волокон. В отношении термопластов, наполненных короткими стеклянными волокнами, было показано, что с точки зрения прочности и стоимости полипропилен, наполненный асбестовыми волокнами, при комнатной температуре превосходит полипропилен, наполненный стеклянными волокнами, а с точки зрения соотношения жесткости и стоимости полифениленоксид, наполненный 40% стекловолокон, превосходит другие материалы.

отношения прочности композицион-ных материалов с ориентированными короткими и непрерывными волокнами одного и того же типа и одинаковой объемной доли в одной и той же матрице от отношения Шс то можно видеть (рис. 2.36), что при ///с>10 в материале с короткими волокнами достигается 95% прочности материала с непрерывными волокнами [54]. Кривая на рис. 2.36 представляет собой графические решения уравнений (2.7), (2.8) и (2.9) для гипотетического случая при
Другим примером применения полиамида, наполненного стеклянным волокном, может служить изготовление из него оснований вращающихся стульев. И в этом случае прочность и жесткость имеют первостепенное значение. Из ненаполненных волокнами термопластов изготавливают также подлокотники стульев, кресел и инвалидных колясок, поручни в салонах общественного транспорта, предметы широкого потребления такие, как корпуса дрелей, рукоятки и .кожухи домашних электроприборов и инструментов. Такие материалы могут быть использованы для получения прочей домашней мебели, в которой требуется обеспечение жесткости и сохранения формы при длительной нагрузке. Однако из эстетических и экономических соображений в настоящее время вместо них используют формуемые пенопласта.