Органоволокниты

Бороволокниты.

Карбоволокниты с углеродной матрицей.

Карбоволокниты.

Общие сведения, состав и классификация.

План.

Тема. Композиционные материалы с неметаллической матрицей.

ЛЕКЦИЯ 5

Композиционные материалы состоят из:

- матрицы, которая связывает композицию, придавая ей форму; – упрочнителя.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические мате­риалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили: эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная.

Углеродные матрицы коксованные или пироуглеродные получают син-тетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связы­вает композицию, придавая ей форму.

Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридок, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающее высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава ком­понентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах соста­вляет 60-80 об. %, в неориентированных (с дискретными волок­нами и нитевидными кристаллами)-20—30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы опре­деляют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивле­ние усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифи­цируют на стекловолокниты (они рассмотрены в гл. XXVII), карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующий, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей (рис. 222). Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут рас­полагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

2. КАРБОВОЛОКНИТЫ

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбовол окон)

Высокая энергия связи С—С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной среда до2200 ⁰ С), а так же при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролетическими)В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются свя­зующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6—2*5 раза. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов Ti O ₂ , Al N, Si ₃N ₄, что дает увеличение межслойной жесткости 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитическйй углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочняемые углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте, вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200⁰ С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбово­локниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300 °С.

Карбоволокнигы отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости (рис. 224), сохраняют это свой­ство при нормальной и очень низкой температуре (высокая тепло­проводность волокна предотвращает саморазогрев материал за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения σ _изг. E изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5—2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков.

[ Карбостекловолокниты содержат наряду с уголными стеклянные волокна, что удешевляет материал.

Карбоволокниты с углеродной матрицей. Коксованные материалы получают из обычных полимерных карбоволкнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере.

При температуре 800—1500 °С образуются карбонизированные, при 2500—3000 °С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме {температуре 1100°С и остаточном давлении 2660 Па) метан разлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывайя их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет вы­сокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к термиче­скому удару.

Карбоволкниты с углеродной матрицей типа КУП - ВМ по зна­чениям прочности и ударной вязкости в 5—10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и ваку­уме он сохраняет прочность до 2200°С на воздухе окисляется при 450 ⁰ С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35-0,45), и износ мал (0,7—1 мкм на торможение).

Полимерные карбоволокниты используют в судо-и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в ренгеновском оборудовании.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков, авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

3. БОРОВОЛОКНИТЫ

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного ^гсвязующего и упрочнителя —борных волокон. Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатиие и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге награнице раздела с матрицей. 1

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексныеборостеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон стеклонитью, придающей формоустбйчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс| изготовления материала. ' Ц

В качестве матриц для получения • бороволокнитов используют модифицированные эпоксидное и полиамидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температуре не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью.

Для боровлокнитов прочность при сжатии 2—2,5 раза больше, чем для карбоволокнитов.

4. ОРГАНОВОЛОКНИТЫ

Органоволокниты представлявляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) а виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной проч­ностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.

_: В органоволокнитах значения модули упругости и температур­ных коэффициентов линейного расширения упрочните л я и связующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористость не превышает 1-3 % (в дру­гих материалах 10—20%). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, дей­ствии ударных и циклических нагрузок, Ударная вязкость высо­кая (400—700 кДж/м²). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов могут длительно работать при температуре 100—150 °С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон при 200—300 °С.

В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна,| бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, ем­кости для реактивов, покрытия корпусов судов и др.,