Номенклатура конструкционных материалов.

Таблица 1 (пример)

Наименование пластмасс	Физические свойства	Отношение к нагреванию	Ремонтопригодность
Полиэтилен	Прозрачный, эластичный	Размягчается, в размягченном состоянии можно изменить форму	ремонтопригоден

 

 

Составить перечень композиционных материалов и указать их строение

 

Полимеры и пластические массы.

 

Полимеры – высокомолекулярные вещества с очень большой молекулярной массой 10⁵ … 10⁷атомных единиц массы (а.е.м.). Основа структуры полимеров - макромолекулы, которые построены из многократно повторяющихся звеньев – мономеров.

Пластмассы – это искусственные материалы, основой которых, т.е. связующим веществом, являются полимеры.

По происхож­дению полимеры разделяют на:

- природные;

- синтетические;

- искусственные.

Типичными представителями природных полимеров являются целлюлоза, крахмал, натуральный каучук.

Синтетические полимеры представляют собой про­дукт синтеза - целенаправленного получения сложных веществ из более простых.

Искусственные полимеры получают путем обработки (модифицирования) природных.

По химическому составу макромолекул различают полимеры:

- органические;

- неорганические;

К органическим полимерам относят соединения, моле­кулы которых содержат атомы углерода, водорода, азо­та, кислорода и серы, входящие в состав главной цепи и боковых групп полимера.

Неорганические полимеры — это соединения, которые не содержат в составе макромолекул атомов углерода.

В процессе получения полимерного соединения мо­номерные звенья выстраиваются в определенную цепь. По характеру строения полимерных цепей различают полимеры линейного, разветвленного и сетчатого (пространственного) стро­ения (рис. 1).

Полимерные материалы могут находиться в четырех физических состояниях:

- кристаллическом;

- стеклообразном;

- высокоэластическом (твердая фаза);

- вязкотекучем (жидкая фаза).

 

Для улучшения свойств полимерных материалов применяют их физическое и химическое модифициро­вание - введение в их состав:

- стабилизаторов;

- пластификаторов;

- отвердителей;

- смазок;

- антипиренов;

- красителей;

- легирующих элементов.

 

Номенклатура конструкционных материалов.

 

Полиэтилен. В зависимости от условий полимеризации (давление, вид катализатора, температура) получа­ют продукт различной молекулярной массы.

Различают полиэтилен:

- высокого давления и низкой плотности (ПЭВД и ПЭНП);

- низкого давления и высокой плотности (ПЭНД);

- среднего давления (ПЭСД);

- высокомолекулярный низкого давления (СВМПЭ).

Полиэтилен обладает рядом ценных свойств: влаго- и газонепроницаем, не набухает в воде, эластичен в широком интервале температур, устойчив к действию кислот и щелочей, обладает очень хорошими диэлект­рическими свойствами.

Полиэтилен обладает большей ме­ханической прочностью и жесткостью и используется для изготовления труб, шлангов, листов, пленки, дета­лей радиоаппаратуры, различных емкостей. Литьем давлением изготовляют вентили, краны, зубчатые коле­са, работающие с малой нагрузкой.

Однако ввиду недостаточной механической прочно­сти для изготовления деталей машин его применяют ограниченно. Главный недостаток полиэтилена — его невысокая теплостойкость, изделия из него рекоменду­ется использовать при температурах не выше 80°С.

Полипропилен — синтетический полимер, по сравне­нию с полиэтиленом отличается более высокой ударной вязкостью, прочностью, износостойкостью, обладает высокими диэлектрическими свойствами, низкой паро- ­и газопроницаемостью, устойчив к действию кипящей воды и щелочей, но обладает низкой термо- и свето­стойкостью. Применяется для изготовления деталей, ра­ботающих в контакте с агрессивными жидкостями.

Винипласт. Достоинствами винипластов являются высокие механические свойства, химическая стойкость, технологичность переработки в изделия, обрабатывае­мость резанием.

Рабочая температура винипласта от 0 до +40⁰С, при резких колебаниях температуры коробится, а при нагре­ве выше 40°С - разупрочняется и теряет жесткость, не горит.

Винипласт выпускают преимущественно в виде лис­тов и профильного проката (труб, уголка и т. п.). Из винипласта изготовляют емкости в химическом машиностроении, корпуса и сепараторы для аккумуля­торных батарей, вентили, клапаны, фитинги для трубо­проводов, детали насосов и вентиляторов и другие из­делия.

Фторопласты – полимеры типа политетрафторэтилен (ПТФЭ) - фто­ропласт-3, фто­ропласт-4, тефлон, флюон. Достоинствами фторопластов является высокая стой­кость к воздействию агрессивных сред, в том числе сильных кислот, щелочей. Фторопласты тер­мостойки - температура их интенсивного термоокислительного разложения составляет 400⁰С.

Коэф­фициент трения фторопласта-4 в семь раз ниже коэф­фициента трения хорошо полированной стали, что способствует его использованию в машиностроении для трущихся деталей;конден­саторных и электроизоляционных пленок, антифрикци­онных материалов, самосмазывающихся вкладышей подшипников, уплотнительных деталей — прокладок, набивок, работающих в агрессивных средах; труб, гибких шлангов, кранов, тары пищевых продуктов; его исполь­зуют в восстановительной хирургии. Фторопласты также нашли применение для зашиты металла от воздействия агрессивных сред.

Капрон. Главным его достоин­ством является сочета­ние высокой прочности, износо-, тепло- и химической стойкости с технологичностью переработки в изделие. Износостойкость капрона в несколько раз выше, чем стали, чугуна и некоторых цветных металлов. Наилуч­шими антифрикционными свойствами обладает капрон с добавлением 3-5 % графита.

Для изготовления деталей из капрона и других поли­амидов наиболее широко используют метод литья под давлением. Например, втулки рессор, крестовины кардана, шкворня поворотной цапфы, а также шестерни приво­да спидометра, масленки подшипника выключения сцепления, краники сливные, кнопки сигнала, рукоят­ки рычага переключения передач и др.

Капрон хорошо обрабатывается резанием, склеивается и сваривается. Из него выполняют детали антифрикционного назначения, подшипники, зубчатые колеса, кронштейны, рукоятки, крышки, корпуса, трубо­проводную арматуру, прокладки, шайбы. Используют по­лиамиды также для изготовления нитей, корда, тканей.

Полистирол представляет собой продукт полимериза­ции стирола. Это бесцветный прозрачный материал, обладающий абсолютной водо­стойкостью, высокими электроизоляционными свой­ствами, светостойкостью и твердостью. Полистирол стоек к плесени, к щелочным и кислым средам. Отавное применение полистирола этого вида — детали радиоап­паратуры,

Полиметилметакрилат (органическое стекло) обла­дает прозрачностью, твердостью, стойкостью к атмо­сферным воздействиям, многим минеральным и органическим растворителям, высокими электроизоляционными и антикоррозийны­ми свойствами. Он выпускается в виде прозрачных ли­стов и блоков.

Органические стекла выгодно отличаются от мине­ральных низкой плотностью, упругостью, отсутствием хрупкости, более высокой легкой формуемостью в детали сложной формы, простотой механической обработки, а также свариваемостью и склеиваемостью. Однако органические стекла, в отли­чие от минеральных, обладают более низкой поверхно­стной твердостью. Поэтому поверхность органическо­го стекла легко повреждается, и его оптические свойства резко падают. Кроме того, органическое стекло легко воспламеняется.

Поликарбонаты обладают высокой прозрачностью и могут быть использованы вместо силикатного стекла. Применяются для изготовления зубчатых колес, втулок, клапанов, кулачков и т. п., а также электроизоляцион­ных деталей. Поликарбонаты перерабатываются в изде­лия всеми способами, применяемыми для изготовления изделий из термопластов.

Силиконы – кремнийорганические полимеры. Важней­шими свойствами применяемых силиконов является высокая термическая стойкость, стойкость к воздей­ствию окислительных и сред, высокие ди­электрические свойства.

На основе силиконов разработаны клеи, лаки, эма­ли, смазки.

Силиконы широко при­меняются в электротехнической промышленности, ма­шино- и авиастроении. Каучуки, модифицированные силиконами, используют для получения морозостойких и теплостойких резин.

Лавсан – полиэтилентерефталат - представ­ляет собой сложный полиэфир. ПЭТФ не растворяется в большинстве органических растворителей, имеет высокую температуру плавления стоек к дей­ствию слабых щелочей, смазок, масел, спиртов, эфиров. В основном лавсан применяется в виде пленок и воло­кон, которые получают из расплава.

Текстолит — это слоистый полимерный материал, где в качестве наполнителя используется хлопчатобумажная ткань, а в качестве связующего — фенолформальдегид­ная смола.

Текстолит обладает относительно высокой механи­ческой прочностью, малой плотностью, высокими ан­тифрикционными свойствами, к вибрационным нагрузкам, износостойкостью и хоро­шими диэлектрическими свойствами.

Текстолит нашел широкое применение как замени­тель цветных металлов для вкладышей подшипников скольжения, для изготовления зубчатых шестерен в ав­томобилях и других технических изделий для авиа-и машиностроения. Текстолитовые шестерни в отличие от металлических работают бесшумно.

Гетинакс - изготовляют горячей прессовкой листов бумаги, пропитанной фенолформальдегидной смолой. Обладает высокими диэлектрическими свойствами, но меньшей, чем текстолит, механической прочностью. Гетинакс применяется для изготовления изоляцион­ных деталей электрооборудования, декоративных мате­риалов для отделочных работ.

Карболит представляет собой пластмассу, в которой наполнителем служат древесная мука или глина. Рабочая температура эксплуатации деталей из карболита не дол­жна превышать 80⁰С и их следует оберегать от влаги.

Из карболита изготовляют крышку и ротор прерыва­теля-распределителя, изоляторы катушки зажигания и другие электротехнические детали.

Эпоксидные смолы - синтетические полимеры, обла­дающие высокой адгезией к металлам, стеклу, керами­ке и другим материалам. Отвержденные эпоксидные смолы устойчивы к воздействию щелочей, окислителей и большинства неорганических кислот, но разрушают­ся в органических кислотах, углеводородах.

Применяются эпоксидные смолы в качестве связую­щих в композиционных материалах, клеях, лаках.

Стеклопластики изготовляют из синтетических смол (связующих) и стеклянного волокна (армирующий, усили­вающий наполнитель). В качестве связующего чаще всего используют эпоксидные, фенолформальдегидные, поли­эфирные и кремнийорганические смолы. Наполнитель — стеклянное волокно толщиной в тысячные доли миллимет­ра пронизывает каждый миллиметр пластмассы.

Стеклопластики обладают особо высокой механиче­ской прочностью, теплостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами и стойкостью против воздействия воды, масел, топлив, разбавленных кислот и многих органических растворителей.

В автомобилестроении из стеклопластиков изготов­ляют кузова и другие крупногабаритные и высоконагруженные­ детали.

Пенополиуретан - получают насыщением расплав­ленной смолы вспенивателями, при этом происходит вспенивание полимера. Пенополиуретан ПУ-101, обладающий высокой эластичностью, используется для изготовления автомобильных сидений и спинок.

Фольгированные пластмассы представляют собой сло­истый пластик (гетинакс, стеклотекстолит), облицован­ный с одной или двух сторон медной фольгой 35 или 50 мкм. Фольгированные пластмассы имеют специальное на­значение: их применяют при изготовлении плат с печат­ным монтажом в радиоэлектронике, кодовых переключа­телей автомобильной охранной сигнализации, печатных якорей микроэлектродвигателей и других деталей.

Неорганические полимеры. Наибольшее практическое применение получи­ли углерод, кремний, германий, бор и селен. Полимер­ная форма углерода - графит используется не только как самостоятельный машиностроительный материал, но и как составляющая композиционных материалов. Гра­фит и материалы на его основе применяют в автомоби­лестроении для изготовления деталей узлов трения (вы­жимной подшипник сцепления), подвижных контактов приборов электрооборудования автомобилей (централь­ный контакт крышки прерывателя-распределителя, щетки генератора и стартера) и др. Кремний использу­ется при изготовлении полупроводниковых приборов. Кристаллический бор представляет собой вещество, по твердости уступающее только алмазу. Его применяют для повышения термостойкости и твердости деталей от­ветственного назначения. Например, для покрытия компрессионных поршневых колец.

Применение пластмасс при ремонте автомобилей. Пла­стические массы в качестве авторемонтных материалов используются для выравнивания неровностей поверхно­стей кузова, заделки трещин, раковин, выщербин у де­талей, склейки деталей, наращивания изношенных по­верхностей, нанесения защитных и декоративных покрытий, антифрикционных слоев, а также для изго­товления некоторых деталей взамен вышедших из строя металлических или пластмассовых.

Эпоксидные пасты применяют для выравнивания по­верхности кузовов вместо свинцово-оловянистых при­поев. Эпоксидные пасты на авторемонтных предприя­тиях приготовляются на базе эпоксидных шпаклевок ЭП-00-10 с добавлением к ним наполнителя - измель­ченного асбеста сухого или пропитанного лаком этиноль и отвердителя. Под действием вводимого отвердителя паста становится твердой, неплавкой и нерастворимой. Отвердителем служит 50 %-ный раствор гексаметилен­диамина в спирте (отвердитель № 1).

Эпоксидные пасты широко используются взамен сварки при ремонте кузовов, трещин на рубашке охлаж­дения и в клапанной коробке блока цилиндров, пробо­ин стенок рубашки охлаждения блоков цилиндров, тре­щин головки цилиндров, обломов в головке цилиндров в месте крепления датчика указателя температуры ох­лаждающей жидкости, пробоин в поддоне картера дви­гателя и др. Отремонтированные детали надежно рабо­тают при температуре до 120°С.

Широкое примене­ние получают пластмассы для нанесения декоративных и защитных покрытий (пленок) на металлические дета­ли. Металл с нанесенным пластмассовым покрытием называют металлопластом. В качестве покрытия для малоуглеродистой стали в промышленности использу­ется поливинилхлоридная пленка, а также полиэтилен, полиамиды и другие пластмассы. Защитные и декоративные покрытия в условиях ав­торемонтных предприятий наносят вихревым напыле­нием (порошки), кистью (растворы) и лопаткой (пасты). Замена хромирования нанесением эпоксидных мастик на такие детали, как стойки, поручни, дужки сидений автобусов, в производственных условиях дает снижение затрат в несколько раз, не ухудшая внешнего вида де­талей и надежности покрытия против коррозии. Композиционные материалы

 

Композиционные материалы (композиты) представляют собой гетерогенные, т. е. неоднородные системы, состоящие из двух или более фаз-компонентов, причем каждый из компонентов сохраняет свои свойства. Для композитов характерно следующее:

 

• состав и форма компонентов определены заранее;

 

• компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих получение заданных свойств материала;

 

• макроструктура материала однородна при неоднородной мик­роструктуре;

 

• между компонентами, обладающими существенно различны­ми свойствами, существует явная граница раздела. В большинстве случаев компоненты композита различны не только по свойствам, но и по геометрическому признаку. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, явля­ется матрицей. Второй, разделенный в объеме композиции, являет­ся армирующим (усиливающим). Материалы матрицы и армирую­щего компонента должны быть взаимно нейтральны, т. е. не образовывать химических соединений или твердых растворов, ко­эффициенты линейного и объемного расширения этих материалов должны быть близки. Соблюдение последнего требования необхо­димо для того, чтобы обеспечить целостность материала при изме­нении температуры, так как при различии коэффициентов линей­ного расширения будут возникать термические напряжения, которые могут привести к разрушению. Матричным материалом могут быть металлы, сплавы, терморе­активные или термопластичные полимеры, керамика или другие ве­щества. Армирующие компоненты — это мелкодисперсные порош­ки или волокнистые материалы различной природы. По виду армирующего материала композиты делятся на две основные груп­пы: дисперсно-упрочненные и волокнистые.

 

Дисперсно-упрочненные композиты

Структура дисперсно-упрочненного композиционного материа­ла представляет собой матрицу, в которой равномерно распределе­ны мелкодисперсные частицы второго компонента. Упрочнение та­ких материалов осуществляется за счет создания барьеров перемещению дислокаций, аналогично тому, как это происходит в металлических сплавах с дисперсионным твердением, например, в системе «Аl—Сu». Наиболее сильное торможение перемещению дислокаций достигается при использовании в качестве второй, уп­рочняющей фазы частиц химических соединений — карбидов, нит­ридов, боридов, оксидов, обладающих высокими значениями твер­дости, прочности, а также высокой химической устойчивостью. Для эффективного торможения дислокаций суммарная поверх­ность дисперсных частиц должна быть максимальной, т. е. их раз­меры минимальными (но не менее 2÷10 нм, так как при меньших размерах частицы перерезаются движущимися дислокациями, а не задерживают их). Наиболее распространенная технология получения дисперс­но-упрочненного композита — порошковая металлургия. Основны­ми технологическими процессами являются получение порошковых смесей, прессование порошков с последующим спеканием и пла­стическая деформация полученной массы. В процессе пластической деформации повышается плотность и уменьшается пористость ком­позита. В промышленности нашли применение композиты с алюминие­вой, магниевой, титановой, никелевой, вольфрамовой и другими матрицами. Композиты на основе алюминия типа САП (спеченный алюми­ниевый порошок) нашли широкое применение, в частности, в авиационной промышленности. В этих композитах алюминиевая матрица упрочнена оксидными частицами А12О3. Свойства компо­зита определяются количеством А12О3. Так, предел прочности ком­позита САП-1 (6÷9 % А12О3) составляет 300 МПа, а композита САП-3 (13÷18 % А12О3) - 400 МПа. При цеховой температуре механические свойства САПов ниже, чем у алюминиевых сплавов. Их основное преимущество достигает­ся при температурах свыше 300 °С, когда алюминиевые сплавы ра-зупрочняются. Так, при 500 °С предел прочности сплавов САП со­ставляет 80÷120 МПа, тогда как у сплавов Д19, Д20, АК-4 не превы­шает 5 МПа. Композиты на основе бериллия предназначены для длительной работы при высоких температурах. В качестве упрочнителя бериллиевой матрицы используют оксид или карбид бериллия — ВеО, Ве2С. Наиболее эффективно сопротивление ползучести повышается для композитов системы Ве—Ве2С. Так, при температуре 650 °С 100-часовая прочность композита выше прочности чистого берил­лия в 3 раза (40 и 14 МПа соответственно), а при температуре 730 °С — более, чем в 5 раз (25 и 4 МПа соответственно). Композиты на основе магния. Незначительная растворимость ки­слорода в магнии дает возможность упрочнять его оксидами. Наи­больший эффект достигается при введении около 1 % оксида, при этом предел прочности достигает 300 МПа, тогда как предел проч­ности магния составляет 180 МПа. Композиты на основе магния обладают низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести. Наиболее перспективно при­менение композита в авиации для изготовления деталей, от кото­рых требуется сочетание малой массы с повышенной прочностью. Композиты на основе никеля и кобальта предназначены для экс­плуатации при высоких температурах — свыше 1000 °С. Упрочне­ние достигается за счет введения оксидов тория или гафния в коли­честве 2÷4%. Матрицы этих композитов могут состоять из чистых металлов или сплавов на их основе. Так, в качестве матрицы нашел применение нихром (80 % Ni, 20 % Сr), а также сплав кобальта с цирконием (2 %). Композиты на основе нихрома обладают более высокой прочностью по сравнению с чисто никелевым композитом при температурах до 600÷800 °С. Легирование цирконием кобальто­вой матрицы приводит к повышению механических свойств во всем диапазоне температур, однако при этом заметно снижается пла­стичность материала. Основное применение композитов — авиаци­онная и космическая техника.

ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

У волокнистых композитов матрица (чаще всего пластичная) ар­мирована высокопрочными волокнами, проволокой, жгутами и т. п., воспринимающими нагрузку, за счет чего и достигается уп­рочнение композитов. Композит приобретает ряд свойств, которы­ми не обладают его компоненты. При этом появляется возможность создавать материалы или непосредственно детали с заранее заданными характеристиками для определенных условий эксплуатации.

Свойства волокнистых композитов определяются природой ма­териалов матрицы и волокна, а также способами армирования. Именно эти параметры лежат в основе классификации композитов.

В зависимости от материала матрицы композиты делятся на пластики (полимерная матрица), металлокомпозиты (металличе­ская матрица), композиты с керамической матрицей и матрицей из углерода.

При создании композиционных материалов применяются высо­копрочные волокна из стекла, бора, углерода, металлической про­волоки и нитевидных кристаллов оксидов, нитридов и других хими­ческих соединений.

Название композита определяется материалами матрицы и во­локна, например, стеклопластик — это композит, у которого материал матрицы — пластмасса, упрочняющий компонент — стекловолокно. Армирующие компоненты применяются в виде моноволокон, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Различают компо­зиты, образованные из слоев; армированные непрерывными парал­лельными волокнами; армированные тканями (текстолиты). Распо­ложение волокон может быть направленным (одно- или многонаправленным) или хаотическим, двухмерным или трехмер­ным— пространственным (рис. 1).

 

 

Рис. 1 Классификация композитов по конструктивному признаку:

 

а — хаотически армированные (1 — короткие волокна; 2— непрерывные волокна); б— одномер­но-армированные (1 — непрерывные волокна; 2— короткие волокна); в — двухмерно-армиро­ванные (1 — непрерывные нити; 2 — ткани); г — пространственно-армированные (1 — три се­мейства нитей; 2 — п семейств нитей)

Текстолит — это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смо­лой. Выпускается в виде листов, плит, труб и стержней. Обладает хорошей способностью поглощать вибрационные нагрузки, водостойкостью, высокой ударной вязкостью, электроизоляционными и антифрикционными свойствами. Теплостоек до 80°С. Используется для изготовления зубча­тых колес, вкладышей подшипников скольжения, электро­изоляционных деталей радиоаппаратуры.

Стеклотекстолит отличается от текстолита тем, что в качестве наполнителя используется стеклоткань. Более прочен и теплостоек, чем текстолит, имеет лучшие элек­троизоляционные свойства. Применяется для изготовле­ния корпусов судов, самолетов, автомобилей и других крупногабаритных изделий, для электроизоляционных деталей, работающих при повышенных температурах. В асботекстолите наполнителем является асбестовая ткань. Кроме электроизоляционных, он имеет хорошие теплоизоляционные и фрикционные свойства. Применяется в качестве теплозащитного и теплоизоляционно­го материала, для изготовления тормозных колодок, дисков сцепления и др. Гетинакс представляет собой материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой. Он обладает электроизоляционными свойства­ми, устойчив к действию химикатов, может применять­ся при температуре до 120-140 °С. Применяется в элект­ротехнике для изготовления печатных плат, в электри­ческих машинах и трансформаторах в качестве изоляции, как декоративно-облицовочный материал. Материалы матриц волокнистых композитов. Матрица должна обеспечивать монолитность композита, фиксировать форму изде­лия и взаимное расположение армирующих волокон. Она обеспечи­вает равномерную нагрузку на армирующие волокна и перераспре­деление нагрузки в случае разрушения части волокон. Кроме того, материал матрицы определяет технологию изготовления изделий из композита. Таким образом, требования, предъявляемые к свойст­вам материала матриц, можно разделить на эксплуатационные и технологические. К первым относятся механические, физические и химические свойства, которые определяют возможность эксплуатации компози­та в различных условиях. Прочность матрицы должна быть такой, чтобы обеспечить совместную работу всех армирующих элементов. При нагрузках, приложенных в направлениях, отличных от ориен­тации волокна, прочность композита определяется во многом, если не в основном, прочностью матрицы. Природа матрицы обусловли­вает также уровень рабочих температур и среду эксплуатации ком­позита.

В процессе операций изготовления композита должны быть обеспечены следующие условия:

 

• равномерное (без касания между собой) распределение воло­кон в матрице;

 

• достаточно прочная связь на границе раздела.

 

Для этого материал матрицы должен обеспечить хорошую смачиваемость волокна. Смачивание характеризуется растеканием жидкости по поверхности твердых тел. Если капля жидкости расте­кается по поверхности твердого тела, она его смачивает. Если же она принимает сферическую форму, например, капля ртути на стекле, жидкость обладает плохой смачивающей способностью.

 

Кроме того, желательно иметь невысокие значения параметров формообразования: температуру, давление, чтобы избежать измене­ния свойств или даже разрушения упрочняющей фазы, а также с целью снижения энергозатрат в процессе изготовления композита. В качестве материала для изготовления матриц наибольшее при­менение нашли полимеры, углерод и металлы. Для изготовления полимерных матриц используют термореактив­ные эпоксидные и полиэфирные смолы, а также целый ряд термо­пластичных пластмасс. Свойства полимерной матрицы достигаются в результате полимеризации и отверждения (для реактопластов), при этом материал матрицы должен иметь низкую усадку.Недостатками пластиков являются их низкие жесткость, проч­ность и теплостойкость. Более высокая теплостойкость присуща термореактивным, а не термопластичным пластмассам. Наиболее теплостойкими (до 300÷350 °С) являются кремнийорганические и полиамидные пластмассы. Широкое применение для изготовления матриц нашли эпоксид­ные смолы. Они обладают более высокими механическими свойст­вами, что обеспечивает композиционным материалам на их основе большую прочность при сжатии и сдвиге. Их отверждение происхо­дит при сравнительно низких температурах и с небольшой усадкой. При изготовлении деталей не требуется высоких давлений, что важ­но при создании композитов, армированных высокопрочными, хрупкими волокнами, так как снижается вероятность их поврежде­ния. Углеродная матрица обладает высокими значениями механиче­ских характеристик, высокой теплостойкостью (свыше 2000 °С в не­окислительной среде), низкими коэффициентами трения и темпе­ратурного расширения, высокой химической стойкостью. Металлическая матрица характеризуется высокими значениями прочностных характеристик, ударной вязкости, модуля упругости. Металлы сохраняют свои свойства в более широком интервале тем­ператур, чем полимеры. В качестве матричных материалов преиму­щественно используют алюминий, титан, сплавы на их основе и магниевые сплавы.

 

В качестве матричного материала на основе алюминия применя­ют как технический алюминий, так и сплавы на его основе: АМц, АМг2, АМг6, Д16, Д20, В95 и др. Использование этих сплавов по­зволяет изменять механические характеристики матриц в достаточ­но широком пределе. Так, предел прочности сплава АМц составля­ет 130МПа, АМг6 - 300МПа, Д16 - 500МПа, В95 - 600 МПа. Модуль упругости алюминиевых сплавов — около 70 ГПа. Сплавы обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью. Для алюминиевых сплавов характерна высокая технологичность, они пластичны, хорошо обрабатываются резанием, заготовки могут быть получены вакуумной или аргоно-дуговой сваркой.Магниевые сплавы обладают плотностью меньшей, чем алюми­ниевые, однако они уступают им по прочности, модулю упругости и технологичности. Так, предел прочности сплавов МА2-1, МА5, МА8, используемых в качестве матричных материалов,— 250÷300 МПа, модуль упругости около 40 ГПа. Горячая пластичность этих сплавов ниже, чем у алюминиевых.Титановые сплавы (в качестве матричного используют, напри­мер, сплав, содержащий 90 % Тi, 6 % А1, 4 % V) имеют более высо­кие, чем у алюминиевых и магниевых сплавов, модуль упругости, Е= 140 ГПа, и предел прочности — до 1000 МПа. Они сохраняют прочностные характеристики при нагреве до температур 300÷450 °С. Сплавы обладают удовлетворительной пластичностью в горячем со­стоянии. Однако для их пластической деформации необходимы достаточно высокие напряжения. Это затрудняет получение компо­зитов с хрупкими армирующими волокнами. Армирующие компоненты композиционных материалов. Армирую­щие волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в процессе эксплуатации, и обеспечивают жесткость и прочность композита в направлении ориентации волокна. Таким образом, во­локна должны обладать высокой прочностью и жесткостью, т. е. большим модулем упругости Е, химической стойкостью, и сохра­нять этих свойств в интервале эксплуатационных температур. В качестве армирующих используют моноволокна, жгуты или ткани, сформированные из моноволокна. Основное применение получили следующие типы волокон.

 

Стеклянные волокна наиболее широко применяют при создании композитов с неметаллической матрицей. При малой плотности они имеют высокую прочность и теплостойкость, нейтральны к хи­мическому и биологическому воздействию. Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекломассы через фильеры диаметром 0,8÷3 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием их до диаметра 3÷9 мкм. Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем (например, парафиновая эмульсия) для предотвра­щения истирания волокон при транспортировке и технологических операциях. Органические волокна используют для получения композитов с полимерной матрицей. Вследствие низкой плотности они обладают высокой удельной прочностью, превосходящей все известные в на­стоящее время армирующие волокна и металлические сплавы. При­меняют волокна на основе ароматических полиамидов, которые об­ладают высокими значениями предела прочности при растяжении и модуля упругости.

Прочность углеродного волокна достигает 1500÷2000 МПа, что cоответствует прочности молибденовой проволоки.

Борные волокна обладают по сравнению с другими армирующи­ми компонентами большим модулем сдвига G. Бор является полу­проводником, поэтому композиты с таким волокном имеют пони­женные тепло- и электропроводность. Метод получения борных волокон — химическое осаждение бора из смеси газов (2ВС13 + ЗН2 →2В + 6НС1) на вольфрамовую подложку при температуре около 1100 °С. Эти волокна применяют при создании композитов как с металлической, так и с полимерной матрицей.

Волокна из карбида кремния имеют пониженные механические свойства по сравнению с волокнами из бора и углерода, для них ха­рактерна повышенная чувствительность к поверхностным дефек­там. Их используют для металлокомпозитов, работающих при высо­ких температурах. Металлические волокна и проволоки являются наиболее эконо­мичными. Для композитов, работающих при низких температурах, используют стальные и бериллиевые проволочные волокна, а экс­плуатируемых при высоких температурах — вольфрамовые или мо­либденовые. Стальные волокна в основном изготовляют из высоко­прочной коррозионностойкой стали.

 

Коротковолокнистая арматура. Диаметр волокон — 1÷10 мкм при средней длине 275 мкм. Особо высокая жесткость и прочность, близкая к теоретической, характерны для нитевидных кристаллов («усов»), что обусловлено совершенством их структуры. Нитевид­ные кристаллы могут быть использованы для создания композитов с различными матричными материалами. Свойства некоторых ар­мирующих волокон приведены в табл. 16.3.

Тканые армирующие материалы используют для получения слоистых композитов. Используются стеклоткани, углеткани, органоткани с разным типом плетения.

 

Эксплуатационные свойства и область применения композитов

 

Композиты с полимерной матрицей. К их достоинствам следует отнести высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость в химически агрессивных средах, а также достаточную простоту изготовления,— для их производства не требуется высоких температур и давлений. Однако им присущ ряд недостатков, опре­деляемых свойствами полимерной матрицы. Это, прежде всего, низкие значения прочности при сжатии и сдвиге (при их высоких удельных значениях), низкая теплостойкость, гигроскопичность и склонность к старению, т. е. к изменению физико-механических свойств под воздействием климатических факторов.

 

Стеклопластики нашли достаточно широкое применение из-за высокой прочности, в том числе при знакопеременных нагрузках, коррозионной стойкости. Они легко обрабатываются резанием. Их недостатком является снижение механических свойств в водной среде из-за ослабления связи «стекло — полимер». Стеклопластики были первыми конструкционными материалами, используемыми в силовых конструкциях. Из них изготовляют детали фюзеляжа и крыльев летательных аппаратов, баллоны высокого давления. В ка­честве армирующего компонента используют нити, жгуты, ткани. Слоистые композиты на основе тканей называются стеклотекстолитами. Матричным материалом могут быть как термореактивные, так и термопластичные полимеры.

Органопластики. В качестве армирующего компонента использу­ются синтетические волокна. Природа связующего и армирующего компонентов одинакова, что приводит к их химическому взаимо­действию. Компоненты имеют близкие значения коэффициентов линейного расширения. В связи с этим органопластики получают монолитную, беспористую структуру с сильной адгезионной связью связующего и арматуры. Монолитность структуры обеспечивает вы­сокое сопротивление ударным и циклическим нагрузкам, высокую вибростойкость. Органопластики — самые легкие композиционные материалы, их применение позволяет снизить вес конструкции (при одинаковых размерах) на 20÷50 % по сравнению с стеклопластика­ми или сплавами алюминия. Однако в силовых конструкциях они практически не используются из-за низких значений предела проч­ности при сжатии и модуля упругости. Предел прочности при сжа­тии у органопластиков (около 300 МПа) примерно в два раза ниже, чем у углепластиков, и в четыре раза ниже, чем у боропластиков. Органопластики применяют в качестве обшивочного материала, из них изготовляют также детали оболочковой формы из-за техноло­гичности при операциях намотки