Полимерные композиты

В сравнении с металлокомпозитами полимерные композиционные материалы отличаются очень низкой плотностью, повышенными значениями удельной прочности, коррозионной стойкости, износостойкости, жесткости изготовляемых конструкций. В качестве полимерной матрицы используются полипропилен, полиамиды, а также эпоксидные, фенолоформальдегидные, полиимидные, полиэфирные смолы; армирующими элементами при этом служат волокна, жгуты, ткани, изготовленные из материалов на основе стекла, углерода, бора, органических соединений.

С т е к л о п л а с т и к и в виде стекловолокнитов и стеклотекстолитов являются самыми недорогими и распространенными полимерными композитами. Их главными достоинством является высокая удельная прочность, недостаток состоит в ограниченной величине модуля упругости. Стеклопластики можно отнести к полимерным материалом на основе термореактивных смол – реактопластам, которые подробно были рассмотрены в п. 2.2.1.

У г л е п л а с т и к и содержат углеродные волокна в виде различных элементов, получаемых путем высокотемпературной обработки полимерных волокон или из каменноугольного либо нефтяного пека (смолы). Они характеризуются высокими показателями прочности (σ_в до 1000 МПа), упругости (Е до 180 ГПа), жесткости, вибропрочности, которые сохраняются при температурах до 300^оС, а также при действии рентгеновского излучения. Большая теплопроводность углепластиков способствует сохранению высокого предела выносливости при нормальной и низких температурах. Кроме того, для углепластиков характерна высокая коррозионная стойкость и износостойкость, низкий ТКЛР, малые значения электропроводимости (ρ_v до 0,0024 Ом∙см) и диэлектрических свойств (ε =10, tgδ =0,01 при частоте тока 10¹⁰ Гц). Применяются углепластики для изготовления деталей аэрокосмической техники, специальных транспортных средств, химической аппаратуры, рентгеновского и другого медицинского оборудования.

Б о р о п л а с т и к и армированы волокнами бора и обладают сочетанием высоких значений прочности при сжатии (σ_сж до 1160 МПа), при срезе и при сдвиге, а также модуля упругости (Е до 240 ГПа) и предела выносливости, которые сохраняются при температурах до 300^оС. Вместе с этим боропластики имеют хорошую химическую и радиационную стойкость, повышенную теплопроводность и электропроводимость благодаря полупроводниковым свойствам борных волокон. Из боропластиков получают ответственные нагруженные и термонапряженные детали аэрокосмической техники, двигателей, электротехнической и химической аппаратуры.

О р г а н о п л а с т и к и с органическими волокнами имеют одинаковую полимерную природу матрицы и упрочняющих волокон. Это улучшает их совместное функционирование и повышает степень упрочнения органопластиков. Для армирования могут применяться волокна и ткани из полипропилена, капрона, наибольшее упрочнение достигается за счет использования арамидных волокон (кевлар), получаемых на основе ароматических полиамидов. При малой плотности органопластики обладают высокой прочностью (σ_в до 2000 МПа), ударной вязкостью (KCU до 700 кДж/м²), сохраняющимися при температурах до 300^оС, а также химической стойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Используются органопластики для изделий аэрокосмической техники, электрорадиотехнического назначения, в транспортном машиностроении, химическом производстве.

Г и б р и д н ы е композиты сочетают волокна различной природы в виде гетероволокнистых жгутов, тканей либо чередующихся слоев тканей из различных волокон. Этим достигается возможность эффективного управления свойствами композитов. Среди гибридных композитов распространены трехкомпонентные материалы: углестеклопластики, органоборопластики, бороуглепластики, углеорганопластики. Они характеризуются наиболее высокими значениями прочности при сжатии (σ_сж до 1100 МПа), при изгибе (σ_изг до 1600 МПа) и сдвиге (τ до 91 МПа), а также большой ударной вязкостью (KCU до 260 кДж/м²).