Свойства композиционных материалов с полимерной матрицей

Стеклопластики содержат в качестве наполнителя стеклянные волокна:

• непрерывные в виде нитей, жгутов и полос — тканей различного плетения;

• дискретные — рубленые или штапельные.

В ориентированных однонаправленных стекловолокнитах упрочняющие непрерывные волокна расположены в одном направлении — направлении

действия нагрузки. Однонаправленные
к Ш Щ" §Ц Щ Щ стекловолокниты отличаются анизо-

I Ц ^ Ц Ц тропией свойств. Наибольшую проч-

ность и жесткость такие композиции имеют вдоль волокон. Этот недостаток устраняют в перекрестно армирован­ных ориентированных стеклопластиках, в которых волокна расположены по различным направлениям. Стекловолок-нистый анизотропный материал (СВАМ)

а ™__ I_ -ет^-|_ >т—|_ |_ | содержит стеклянные нити, которые по

Т ш_„т__в___ выходе из фильер, склеенные между

' '—I—вя—1—яи—I—вя I собой в полосы, укладывают затем под

углом 90°. Связующим в них выступа­ют различные смолы.

При соотношении продольных и поперечных слоев 1:1 (волокно Е) СВАМ имеет следующие характеристи­ки: о, = 460—500 МПа и модуль упру­гости Е > 35 000 МПа. В случае соот­ношения слоев 10:1 предел прочности возрастает до 850—950 МПа, а модуль упругости — до 58 000 МПа. Однона­правленный стекловолокнит, армирован­ный высокопрочным волокном ВМ-1, обнаруживает предел прочности в на­правлении волокон 2100 МПа и модуль упругости 70 000 МПа.

Рис. 10.20. Схема переплетения тканей: а — полотняное; б — саржевое; в — сати­новое

Прочность стекловолокнитов зави­сит от объемного содержания наполни­теля и повышается с увеличением его по закону аддитивности. Оптимальное содержание наполнителя составляет 65—67%. При большем содержании волокон возрастает пористость связующего, что вызывает неравномерное нагружение волокон. Уменьшая диаметр волокон и вводя в матрицу моно­кристаллы А1₂0₃, добиваются увеличения прочности стеклопластиков до 2000—2400 МПа.

Из стеклянных нитей получают ткани, которые используют в качестве уп-рочнителя. Стеклянные ткани по виду переплетения нитей подразделяют на тка­ни полотняного, саржевого, сатинового и кордового плетений (рис. 10.20).

Ткани полотняного плетения на поверхности имеют частое чередование продольных (основных) и поперечных (уточных) нитей, что придает ткани

высокую жесткость. Сатиновым тканям свойственно более редкое перепле­тение нитей. Учитывая высокую хрупкость стекловолокон, возможность их взаимного перетирания и разрушения под давлением, стеклопластики (стек-лотекстолиты) с упрочнителем сатинового плетения более прочны и лучше работают в конструкциях.

Кордовые ткани содержат усиленные нити основы и тонкие, редко рас­положенные поперечные нити. При производстве изделий основные нити укладывают в направлении действия нагрузки и они воспринимают дейст­вующие растягивающие нагрузки. Стеклопластики, упрочненные тканью кордового плетения, отличаются значительной анизотропией свойств.

Физико-механические свойства некоторых стеклопластиков с наполни­телями сатинового плетения приведены в табл. 10.11.

Стеклотекстолит типа КАСТ на фенолформальдегидной связке отлича­ется невысокой ударной вязкостью. Наибольшая ударная вязкость при доста­точно высокой теплостойкости достигается в стеклопластике СТ911-1А с эпоксидной смолой в качестве связки.

Неориентированные стекловолокниты содержат хаотично расположен­ные в плоскости (реже в пространстве) дискретные, короткие волокна. Для таких стеклопластиков характерна большая, чем у ориентированных стекло­пластиков, изотропия свойств. В то же время прочность и жесткость неори­ентированных стеклопластиков меньше прочности и жесткости ориентиро­ванных стеклопластиков (рис. 10.21).

о„МПа

400-

40 60 80 100 Содержание наполнителя,%

Рис. 10.21.Прочность ориентиро­ванного (7) и неориентированного (2) стеклопластика в зависимости от содержания наполнителя

Плотность стеклопластиков составляет 1500—2000 кг/м³. В результате их удельные характеристики прочности сопоставимы с соответствующими характе­ристиками сталей. Стеклопластики способ­ны длительное время работать при 200— 300 °С. Температурное воздействие в не­сколько тысяч градусов они выдерживают в течение десятков секунд, что связано с осо­бенностями поведения стеклопластиков при повышенных температурах. При действии очень высоких температур поверхностные слои, выгорая, выделяют газообразные про­дукты деструкции связующего. Выделяю­щиеся продукты, поглощая теплоту, уменьшают тепловой поток, подходящий к поверхности стеклопластика. Оплавление стеклонаполнителя поверхностных зон и образование на поверхности слоя термо­стойкого кокса уменьшают тепловой поток внутри материала и замедляют процесс де­струкции.

Таблица 10.11. Физико-механические свойства некоторых стеклотекстолитов с наполнителем сатинового плетения

Материал	Связующее вещество	Плотность, кг/м	Прочность при растяжении, МПа	Модуль упругости, МПа	КС, кДж/м2	Тангенс угла диэлектрических потерь при 1 МГц	в	о g	К	Температура эксплуатации, °С
КАСТ-В	Фенолфор-мальдегидная смола	1,5—1,8	300—500	18 000—25 000	60—90	0,01—0,05	3,8—8,0
ВФТ-С	»	1,7—8	450—550	22 000	90—125	0,01—0,02	4,25-4,5
СК-9ФА	Кремнийор- ганическая смола	1,8—1,9	150—350	18 000—25 000		0,02—0,05	3,8—7,0
Ст-911-lA	Эпоксидная смола	1,65—1,75	400—600			0,023—0,025	4,25-4,5

г,МПа

Длительная прочность стекло­пластиков зависит от их состава, влажности и температуры окру­жающей среды, уровня действую­щих напряжений. Лучшие свойства обнаруживают стеклопластики на основе эпоксидной и фенолфор-мальдегидной смол. Отдельные стеклотекстолиты способны выдер­живать при изгибе до 1,5-10⁷ циклов.

104 105 Число циклов Рис. 10.22. Динамическое сопротивление усталости стеклопластиков на фенолфор-мальдегидной (7), эпоксидной (2), поли­эфирной (3), кремнийорганической (4) матрице

Динамическое сопротивление усталости стеклотекстолитов на раз­личной матричной основе приведе­ны на рис. 10.22. По демпфирую­щим свойствам стеклопластики пре­восходят металлы и хорошо работа­ют в условиях вибрации.

По применению стеклопластики делят на конструкционные, электро-

технические и радиотехнические. В качестве конструкционного материала используют как однонаправленные, так и неориентированные стеклопластики.

Однонаправленные стекловолокниты применяют для изготовления труб и различных профилей, в которых в условиях эксплуатации нагрузки направ­лены по длине детали. Полосы или профильные накладки из однонаправлен­ных стеклопластиков наклеивают на наиболее нагруженные сечения детали по ее длине, тем самым выполняют местное упрочнение конструкции. Это дает экономию расхода конструкционных материалов и позволяет использо­вать методы проектирования, разработанные для металлических конструкций.

Неориентированные пластики применяют в производстве корпусов ло­док, автомобилей, катеров, мебели, покрытий полов, облицовки бытовых и железобетонных конструкций, силовых деталей электрооборудования.

Материалы с перекрестным армированием используют в конструкциях типа оболочек, в секциях крыльев, хвостового оперения и фюзеляжа самоле­тов. Из этих материалов производят плиты, трубы, корпуса ракет и твердо­топливных двигателей, сосуды высокого давления, лопасти вертолетов, ра­диолокационные обтекатели, топливные баки, пресс-формы, изоляторы для электродвигателей и трансформаторов, футеровку емкостей для химического машиностроения и другие изделия для различных областей техники.

Углепластики (карбоволокниты). Это композиционные материалы на основе полиамида эпоксидной, эпокситрифенольной и других смол раз­личного состава с упрочнителями из углеродных волокон. Отверждение свя­зующих происходит без выделения низкомолекулярных соединений. В ре-

зультате формирование изделий возможно при невысоком давлении, что по­зволяет сохранить целостность хрупких упрочняющих волокон. Смолы пло­хо смачивают углеродное волокно, поэтому волокна предварительно подвер­гают травлению, вискеризации.

Упрочнители используют в виде жгутов ВМЗ, ВМ4 и тканевых лент ЛУ1, ЛУ2, ЛУЗ, выполненных из высокопрочных и высокомодульных угле­родных волокон. Состав и свойства углепластиков типа КМУ представлены в табл. 10.12.

Таблица 10.12. Состав и физико-механические свойства углепластиков

Марка

Материал

Упрочнитель

§ Р о

G

о. s С

I

А-ь

Si

5 о

*8 8.

°* в

I

КМУ-1

КМУ-4

КМУ-1л

КМУ-2л

КМУ-3

Эпокси-

трифе-

нольная

смола

Поли-имид

Эпокси-феноль-ная смола

ЖгутВМН-3

ЖгутВМН-4

Лента ЛУ-2

ЖгутВМН-4

Лента ЛУ-2

Рабочая температура углепластиков определяется их связующей. Наиболее высокие рабочие температуры имеют стеклопластики на полиимидной основе.

По удельной прочности и жесткости углепластики существенно превос­ходят стеклопластики, сталь, алюминиевые и титановые сплавы. Слабая ад­гезионная связь полимерной связующей с углеродным волокном обусловли­вает их пониженную прочность при межслоевом сдвиге. Прочность стекло­пластика КМУ-Ш, армированного вискеризованным углеродным жгутом, имеет прочность при межслойном сдвиге до 100 МПа.

Анизотропия свойств у углепластиков выражена еще более резко, чем у стеклопластиков.

Отношение модулей упругости наполнителя и матрицы у углепластиков достигает 100, в то время как у стеклопластиков -30. Кроме того, упроч­няющие волокна углепластиков резко отличаются упругими свойствами по

направлениям вдоль и перпендикулярно оси волокон, что дополнительно вызывает повышенную их анизотропность.

Углепластики отличаются высоким усталостным сопротивлением на­грузкам в результате меньшей деформации, чем у стеклопластиков, при оди­наковом уровне напряжений, что снижает растрескивание матрицы.

По вибропрочности и демпфирующей способности углепластики пре­восходят многие металлы. Высокая теплопроводность углеродных волокон способствует рассеиванию энергии колебаний и снижает саморазогрев мате­риала за счет сил внутреннего трения.

Высокомодульные углеродные волокна, обладая низким отрицательным коэффициентом термического расширения, придают углепластикам особые свойства, расширяющие диапазон их применения. Детали, выполненные из углепластика, с изменением температуры мало изменяют размеры и форму. Из-за довольно высокой электропроводности стеклопластики применяют как антистатики и электрообогревающие материалы.

Большое распространение углепластики получили как конструкционный материал в отраслях новой техники: авиация, космонавтика, ядерная техни­ка. Из них производят конструкции, работающие на устойчивость под воз­действием внешнего изгибающего момента, давления: лопасти несущего винта вертолетов; корпуса компрессора и вентилятора, вентиляторные ло­патки; диски статора и ротора компрессора низкого давления авиационных двигателей. В результате применения в этих узлах углепластиков взамен ме­таллов масса двигателя снижается на 15—20%.

В космической технике из углепластиков изготавливают панели солнеч­ных батарей, баллоны высокого давления, теплозащитные покрытия. Приме­нение углепластиков в конструкциях самолетов сдерживается неизбежной дефектностью их структуры в виде трещин, пор, отслоений, которая закла­дывается на начальной стадии смачивания наполнителя жидкой матрицей. Трещины на волокнах уменьшают поверхность межфазного взаимодействия и повышают концентрацию напряжений в отверждаемой матрице.

Углепластики, как химически стойкий материал, применяют в произ­водстве насосов для перекачки коррозионноактивных сред.

Бороволокниты содержат в качестве армирующего наполнителя борные волокна. Борные волокна используются в виде отдельных нитей не­прерывной длины диаметром 100 или 150 мкм, однонаправленных лент раз­личной ширины, в которых параллельные борные волокна сплетены стек­лянной нитью для придания формоустойчивости, листового шпона, тканей.

В боропластиках матрицей служат модифицированные эпоксидные и полиимидные смолы.

Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1К на эпоксицианатном связующем спо­собны длительное время работать при 200 °С. Бороволокнит КМБ-2К на ос­нове амидимидного связующего имеет рабочую температуру 300 °С. Мате-

Пределы длительной прочности эвтектических композиционных ма­териалов превосходят пределы длительной прочности современных жа­ропрочных сплавов при рабочих температурах выше 900 °С (рис. 10.19).

Эвтектические композиционные материалы на основе никеля при­меняют в основном в космической и ракетной технике для изготовле­ния сопловых рабочих лопаток и крепежных деталей газотурбинных двигателей.

10.5. Композиционные материалы на неметаллической основе

В качестве матрицы в композиционных материалах на неметаллической основе используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные, фенольные, полиамидные и другие смолы. Наиболее распространены композиции, арми­рованные стеклянными, углеродными, органическими, борными и другими видами волокон.

Композиты, армированные однотипными волокнами, получили названия по упрочняющему волокну. Так, композицию, содержащую наполнитель в виде длинных стекловолокон, располагающихся ориентированно отдельны­ми прядями, называют ориентированным стекловолокнитом. Неориентиро­ванные стекловолокниты содержат в качестве!наполнителя короткое волок­но. В том случае, если упрочнителем является Стеклоткань, — стеклотексто­литом. Композиционный материал, содержащий углеродное волокно, назы­вают углеволокнитом, борное волокно — бороволокнитом, органическое волокно — органоволокнитом (органитом).

Композиционные материалы с полимерной матрицей обнаруживают це­лый ряд достоинств, среди которых следует назвать высокие удельные проч­ностные и упругие характеристики, стойкость к воздействию агрессивных сред, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высоки­ми теплозащитными и амортизационными свойствами. Вместе с тем пласти­ки имеют и недостатки: низкую прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, снижение прочности при повышении температуры до 100—200 °С, измене­ние физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.

В настоящее время пластики получают все большее, интенсивное рас­
пространение по причине простоты, технологичности и дешевизны произ­
водства из них деталей. _/

В композиции с полимерной матрицей усилие от матрицы к армирую­щему элементу передается за счет сил межмолекулярного взаимодействия и имеет адгезионный характер. Обеспечить прочную связь между волокном и

г,МПа

	1	2
	i	~- ----- 3 \ 1 1

Борные волокна, являясь по­лупроводниками, придают боро-пластикам повышенную тепло­проводность и электропровод­ность: X = 43 кДж/(м-К); p_v -= 1,94-Ю⁷ Ом-см; е = 12,6—20,5 (при частоте тока 10⁷ Гц); tg 5 = 0,02— 0,05 (при частоте тока 10⁷ Гц).

о

300 /, °с

Рис. 10.24. Зависимость разрушающего изгибающего напряжения бороволокнитов с различными матрицами от температуры: / — эпоксидная; 2 — полиимидная; 3 — крем-нийорганическая

Наибольшее применение бо-ропластики нашли в авиационной и космической технике. Их высокая прочность и жесткость при сжатии используются в конструкциях де­талей летательных аппаратов: ба­лок, стрингеров, стоек шасси. Ши­роко используются боропластики в качестве подкрепляющих усили­вающих элементов металлических

силовых конструкций, бандажных дисков и роторов компрессоров газотур­бинных двигателей. Так, применение упрочняющих колец из бороволокна в конструкции диска, выполненного из титанового сплава, компрессора газо­турбинного двигателя уменьшает его массу на 40% при сохранении показателей надежности и прочности изделия.

Механическая обработка бороволокнитов затруднена и для ее проведе­ния применяют дорогостоящий алмазный и твердосплавный инструмент.

Органоволокниты — композиционные материалы, состоящие из полимерной матрицы и наполнителей — синтетических волокон — капрона, нитрона, найлона, лавсана.

Технология изготовления органитов отличается от технологии произ­водства стекло- и углепластиков. Высокая прочность органопластиков реа­лизуется при весьма точной укладке волокон. Нарушения укладки волокон в композиционном материале после переработки вызывают их сильную де­формируемость и, как следствие, снижение их прочности в 2—5 раз по срав­нению с волокнами до переработки.

Природа волокна и матрицы одинакова, поэтому адгезия связующего к наполнителю из-за химического взаимодействия между ними высока. Значи­тельная адгезионная прочность между матрицей и волокном, близость зна­чений их температурных коэффициентов линейного расширения позволяют получать органопластики с бездефектной, практически беспористой (порис­тость 1—3%) структурой и стабильными механическими свойствами.

Волокна упрочнителя отличаются неоднородной структурой, состоящей из ориентированных макромолекул и их совокупности — фибрилл. Ориента-

ция фибрилл и макромолекул в направлении оси волокна придает волокна!» высокие значения прочности и жесткости при растяжении. В отдельных эле ментах, вследствие его неоднородности, возникают различные напряженны* состояния. Между элементами волокна в результате возникают напряженю сдвига, приводящие к расщеплению волокна вдоль оси, а затем и разруше нию. Такой разрыв упрочняющих волокон вызывает значительную работ разрушения композиции в целом. Так, ударная вязкость органопластика i эластичным наполнителем составляет 600—700 кДж/м².

Механические свойства органопластиков зависят от типа волокна (табл 10.14). Объемная доля волокон составляет 35—37%.

Слабые межмолекулярные связи в волокнах-упрочнителях — причин низкой прочности и жесткости органоволокнитов при сжатии.

Таблица 10.14. Механические свойства органопластиков с различными упрочннтелямн

Матрица	Армирующее волокно	Прочность, МПа, при
изгибе	растяжении
Эпоксидная смола	Лавсан		—
Полиимидное (армид)
Полиамидное (фенилон) СВМ	222 351

Предельная деформация при сжатии определяется искривлением вол< кон, а не их разрушением.

Чаще в качестве упрочнителя применяют высокопрочное синтетическс волокно модифицированное (СВМ), а матрица — эпоксидная, эпоксициана ная (органит 5Т), эпоксифенольная (органит 7Т и 7ТО), эпоксиноволачн; (органит ЮТ). Органиты имеют высокую прочность при динамическом статическом нагружении. Прочность и жесткость органитов самым сущее венным образом зависят от структуры наполнителя (табл. 10.15). Волыни ство органитов может длительное время работать при 100—150 °С.

Дополнительное армирование органоволокнитов, например, углеро ными или борными волокнами, затрудняющими искривление органическ] волокон, повышает их прочность при сжатии.

Структура ткани, армирующей органит, в основном зависит от коне рукции детали (конфигурации, толщины монослоя), технологии формирования

Органиты обнаруживают высокое сопротивление знакопеременным i грузкам и высокие теплозащитные свойства.

Органоволокниты используют в элементах несущих и вспомогательш конструкций современных самолетов и вертолетов. Их применяют для с шивки самолетов и вертолетов, лопастей несущих винтов вертолетов, пс

крепляющих элементов балок, в панелях пола, в сотовых конструкциях. Применение органоволокнитов на 20—40% снижает массу деталей при со­хранении их эксплуатационной надежности.

Таблица 10.15. Состав и физико-механические свойства органитов

Марка

5Т

7Т

ЮТ

7ТО

Матрица

Эпокси-цианат

Эпоксифе-

нол

Эпоксино-

волачная

Эпоксифе-

нол

Упрочните ль

Ткань СВМ атласного плетения Ткань СВМ

Ткань СВМ

СВМ одно­направленное

к В

О л

I

24,3

31 34 65

к t

В-5

700 740 1200

ч

X А

9" - О U

V о

g К

а-»

33 40

Г

О о,

С

Горючесть

Самозату­хающий

Трудносго-

рающий

Горючий

Трудносго-рающий