Особливості вуглепластиків у порівнянні з іншими армованими пластиками - ПК - Поліпласт
Серед полімерних матеріалів, армованих безперервними волокнами, вуглепластики – одні з найперспективніших. В даний час для отримання армованих пластиків використовуються, як відомо, не лише вуглецеві волокна. Вже тривалий час застосовуються борні волокна, які в порівнянні з вуглецевими волокнами мають більшу жорсткість. Арамідні волокна, з появою яких змінилися уявлення про властивості органічних волокон, мають значно меншу щільність, ніж вуглецеві волокна. Волокна з карбіду кремнію та оксиду алюмінію дуже стійкі до дії високих температур. Тому вуглецеві волокна використовують тоді, коли можуть успішно конкурувати за властивостями коїться з іншими волокнами. Недоліки матеріалів на основі вуглецевих волокон можна компенсувати, використовуючи гібридні армовані пластики, які отримують шляхом поєднання одного матеріалу вуглецевих та інших типів волокон. Таким чином, під час створення сучасних композиційних матеріалів застосовують диференційований підхід до вибору волокон або їх комбінацій.
Арамідні волокна та армовані пластики на їх основі
Широко відомий представник поліамідних волокон – найлон. Поліаміди поряд з основними та кислотними групами можуть містити ароматичні ядра, і в цьому випадку волокна з них називаються арамідними. З жорстколанцюгових арамідів з паразаміщеними ланками фірмою «Дюпон» виготовляються арамідні волокна марки KEVLAR.
Фірмою "Енка" розроблено волокна марки ARENKA, фірмою "Тейдзін" - волокна марки НМ-50; відомі та інші волокна цього типу. Поряд з високою міцністю та високим модулем пружності арамідні волокна мають низьку щільність, маютьвідповідно високою питомою міцністю і тому з успіхом застосовуються як армуючі волокна для композиційних матеріалів.
Характеристики композиційних матеріалів на основі арамідних волокон.
Основною перевагою цих матеріалів є висока питома міцність. Тому, використовуючи арамідні волокна, можна знижувати вагу конструкцій, що виявляється досить ефективним з точки зору поліпшення техніко-економічних характеристик літальних апаратів і т. д. Наприклад, якщо порівнювати характеристики армованих пластиків на основі волокон KEVLAR-49 та інших волокон, то дані табл. 8.2 випливає, що можна знизити вагу виробів на основі арамідних волокон порівняно з виробами на основі скляних волокон приблизно на 50% та на основі вуглецевих волокон приблизно на 20%. Тому матеріали на основі волокон KEVLAR-49 використовуються виготовлення елементів конструкцій космічного корабля «Спейс шаттл». Ці матеріали мають також більш високу ударну в'язкість у порівнянні з високомодульними вуглепластиками. Тому підвищення ударної в'язкості вуглепластиків ефективної виявляється гібридизація вуглецевих волокон з волокнами KEVL AR-49, що дає можливість отримувати композиційні матеріали зі збалансованими заданим чином властивостями порівняно з матеріалами на основі одного типу волокон. Композиційні матеріали на основі арамідних волокон характеризуються значною стійкістю до руйнування, яка проявляється у високих значеннях питомої міцності та ударної в'язкості матеріалу. Подібно до металів вони мають здатність до пластичної деформації, що перешкоджає крихкому характеру руйнування. Демпфуючі характеристики армованих пластиків на основі арамідних волокон у 4-5 разів вищі, ніж ті ж характеристикивуглепластиків. Вони мають також ряд інших властивостей, які не можуть бути досягнуті при використанні вуглецевих волокон. Тому арамідні волокна є досить перспективними для практичного застосування.
Перспективи розробки нових арамідних волокон
Як зазначалося, арамідні волокна — одне із перспективних видів волокон для армування композиційних матеріалів. В даний час інтенсивно розробляються нові типи арамідних волокон із покращеними властивостями. Наприклад, фірмою Du Pont розроблені арамідні волокна марки FIBER D з модулем пружності, у 1,3 рази більшим, ніж у волокон KEVLAR49. Для покращення властивостей арамідних волокон часто використовують обробку їхньої поверхні. Підвищення адгезійної взаємодії в системі армуючого волокна - полімерна матриця істотно покращує статичні та динамічні властивості композиційних матеріалів. За сучасними даними, є значний резерв підвищення адгезійного взаємодії арамідних волокон з полімерною матрицею. Для поверхневої обробки волокон використовують різні апрети, плазмову обробку поверхні, іонне травлення та інші методи.
Перспективи розробки армованих пластиків на основі арамідних волокон
З урахуванням високих значень питомої міцності, ударної в'язкості та інших цінних характеристик арамідних волокон, мабуть, перспективне широке застосування армованих пластиків на їх основі як конструкційні матеріали в літако-, ракето- та суднобудуванні. Передбачається також зростання застосування цих матеріалів для військових цілей (куленепробивні жилети, каски тощо). Перспективність перелічених областей застосування визначається комплексом зазначених вище властивостей. Напевно поряд з використанням араміднихволокон у моноволокнистих конструкційних матеріалах їх застосовуватимуть у гібридних матеріалах шляхом поєднання з вуглецевими та іншими волокнами.
Борні волокна та армовані матеріали на їх основі
Борні волокна мають щільність 2,63 г/см3, міцність при розтягуванні 4300 МПа та модуль пружності 380 ГПа; в порівнянні з вуглецевими волокнами вони мають переваги завдяки поєднанню високих властивостей міцності і пружних. p align="justify"> Механічні характеристики борних волокон практично збігаються з аналогічними характеристиками вуглецевих волокон. Слід зазначити, що діаметр борних та вуглецевих волокон істотно відрізняється. Це необхідно мати на увазі при оцінці їхньої працездатності у складі армованого матеріалу в умовах різного напруженого стану. Борні волокна зазвичай мають діаметр 100 мкм; випускаються також борні волокна діаметром 140 та 200 мкм. Порівняно з вуглецевими волокнами, діаметр яких становить 5-6 мкм, площа поперечного перерізу борних волокон на 2-3 порядки вище. При виробництві борних волокон хімічним осадженням на осердя з вольфрамового дроту або вуглецеве волокно збільшення діаметра борних волокон призводить до підвищення продуктивності технологічного процесу їх виробництва. Більший діаметр волокон дає такі переваги: 1) простоту у використанні; 2) гарне проникнення матриці в міжволоконний простір внаслідок малої питомої зовнішньої поверхні; 3) високий опір втрати стійкості при стисканні. При отриманні високоякісних композиційних матеріалів дуже важливим фактором є хороша змочування поверхні волокон сполучною. Зазвичай полімерні сполучні добре змочують поверхню армуючих волокон; при використанні металевих сполучних проблема змочуваностінабуває особливого значення. І борні, і вуглецеві волокна погано змочуються розплавами металів та сплавів. Тому, щоб металеве сполучне досить добре проникало в міжволоконний простір, необхідно проводити спеціальну обробку поверхні волокон. Однак така обробка елементарних волокон у пучку утруднена контактом волокон один з одним; ця обставина характерна для вуглецевих армуючих матеріалів, що складаються з великої кількості елементарних волокон. Слід зазначити, що речовини, нанесені на поверхню тонких волокон, помітно впливають на властивості матриці. Так, при нанесенні поверхневого шару товщиною 0,5 мкм на волокна діаметром 5 мкм площа поперечного перерізу поверхневого шару становить 44% площі поперечного перерізу волокон. Це призводить до помітної зміни механічних та фізичних властивостей матриці. Площа поперечного перерізу поверхневого шару такої ж товщини, нанесеного на борні волокна діаметром 100 мкм, становить лише 2% площі поперечного перерізу волокон і його вплив на властивості матриці менший. Недоліком волокон великого діаметра є їх мала гнучкість. Вуглецеві волокна можуть бути вигнуті при досить малому радіусі закруглення, що дозволяє виготовляти тканину. Борні волокна можуть використовуватися для намотування виробів тільки великого діаметру або для отримання виробів іншими методами переробки, за яких вони піддаються мінімальному вигину.
Композиційні матеріали на основі борних волокон та металевої матриці
Розглянуті вище особливості борних волокон стали причиною того, що їх застосовують головним чином у поєднанні з металевими, зокрема алюмінієвими, матрицями. Композиційний матеріал алюміній – борні волокна.формують пресуванням листів пре-прега при температурі вище 500 ° С, як при отриманні металокомпозитів на основі вуглецевих волокон. Композиційний матеріал - борні волокна можна застосовувати при значно більших температурах, ніж композиційні матеріали на основі полімерної матриці. Міцність таких композитів зберігається навіть за температур вище 400 °З. В останні роки розроблено нові типи полімерних сполучних з високою теплостійкістю. Однак армовані пластики на їх основі, наприклад вуглепластики, все-таки значно поступаються теплостійкості композиційним матеріалам з металевою матрицею. Борні волокна мають високу твердість. Вони мають твердість за шкалою Мооса 9,3 і поступаються твердістю лише алмазу. У виробах з армованих волокнами пластмас немає потреби застосування борних волокон, вартість яких більше ніж на порядок перевищує вартість інших волокон. Однак внаслідок того, що пластмаси, армовані волокнами, мають низьку стійкість до утворення поверхневих тріщин, боропластики з високими значеннями модуля пружності і твердості використовують як поверхневий шар у гібридних матеріалах або конструкціях. Елементарні борні волокна великого діаметра можуть використовуватися і самостійно як деякі вироби, наприклад акустичних консолей, штифтів, стрижнів точного розміру та інших. Різноманітні композиційні матеріали вже застосовуються в орбітальному космічному кораблі багаторазового використання «Спейс шатл». Трубчасті елементи конструкції середньої частини корпусу цього космічного корабля виготовлені із композиційного матеріалу на основі алюмінію та борних волокон. В даний час цей корабель, мабуть, один із прикладів найбільш раціонального застосування металів,армованих волокнами.
Волокна з карбіду кремнію та композиційні матеріали на їх основі
Принципову схему технології виробництва волокон із карбіду кремнію марки "Нікалон" (фірма "Ніхон карбон", Японія) розробив С. Коя (професор Науково-дослідного інституту металевих матеріалів Тохокського університету). Потім японські фірми освоїли промислове виробництво цих волокон.
Властивості волокон з карбіду кремнію
Волокона з карбіду кремнію мають такі особливості порівняно з вуглецевими волокнами: 1. Вони можуть працювати в середовищі кисню за високих температур (вуглецеві волокна в таких умовах починають окислюватися вже при температурі 400 °С). 2. Реакційна здатність при взаємодії з металами низька, але змочування поверхні волокон розплавами металів досить хороше, тому виробництво композиційних матеріалів на основі металевої матриці та волокон з карбіду кремнію з точки зору технології простіше, ніж виробництво металокомпозитів на основі вуглецевих волокон. 3. На відміну від провідних електричний струм вуглецевих волокон волокна, що розглядаються, є напівпровідниками, і в певних межах їх провідні властивості можна регулювати.
Очікувані області застосування волокон з карбіду кремнію
Композиційні матеріали на основі волокон з оксиду алюмінію та металевої матриці
Волокна з оксиду алюмінію успішно використовуються для армування металів. Були проведені фізико-механічні дослідження композиційних матеріалів на основі волокон із оксиду алюмінію та алюмінієвої матриці. За результатами досліджень, такі композиційні матеріали мають хороші механічні властивості при високих температурах, високіелектропровідністю тощо. буд. Порівняно з металами, армованими іншими волокнами, металокомпозити на основі волокон із оксиду алюмінію мають такі особливості. По-перше, так як волокна з оксиду алюмінію стабільні при високих температурах повітряного середовища і практично не реагують з розплавленим металом, металокомпозити на їх основі можна отримувати методом лиття. Це дає можливість формувати вироби складної форми з товстими стінками, а також вироби, тільки частина яких армується волокнами. По-друге, при температурах, близьких навіть до температури плавлення металевої матриці, композиційні матеріали, що розглядаються, значною мірою зберігають свої властивості. Це дозволяє застосовувати матеріали протягом тривалого часу при високих температурах, пресувати, вальцювати або проводити їх повторне формування вироби при температурах, близьких до температури плавлення металевої матриці. Додаткова термообробка матеріалів є також засобом регулювання їх фізико-механічних властивостей. Електроізоляційні властивості волокон із оксиду алюмінію перешкоджають електролітичній корозії матеріалів, отриманих на їх основі. Металокомпозити, армовані волокнами з оксиду алюмінію, в основному отримують ливарними методами. Так як волокна з оксиду алюмінію погано змочуються розплавами металів, то для проникнення розплавленого металу міжволоконний простір його вводять в ливарну форму разом з волокнами під тиском; для поліпшення змочування іноді додають літій.