Композиционные материалы на неметаллической основе

Преимуществами композиционных материалов на неметаллической основе являются хорошая технологичность, низкая плотность и в ряде случаев более высокие удельные прочность и жесткость. Кроме того, материалы на неметаллической основе имеют и другие ценные свойства: высокую коррозионную стойкость, хорошие теплозащитные и амортизационные характеристики, антифрикционные и фрикционные свойства и др. Их недостатками являются низкая прочность связи волокна с матрицей, резкая потеря прочности при повышении температуры выше 100…200 °С, малая электрическая проводимость, отсутствие способности к сварке.

Среди неметаллических композиционных материалов наибольшее распространение получили композиции с полимерной матрицей: эпоксидной, фенолоформальдегидной и полиамидной. В качестве упрочнителей используют высокопрочные и высокомодульные углеродные и борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент, нетканых материалов.

Композиции с углеродными волокнами называются углеволокнитами, с борными – бороволокнитами, стеклянными – стекловолокнитами, органическими – органоволокнитами.

Из-за быстрого отверждения и низкого коэффициента диффузии в неметаллической матрице (исключение составляют органоволокниты) в композиционных материалах нет переходного слоя между компонентами. Связь между волокнами и матрицей носит адгезионный характер, т. е. осуществляется путем молекулярного взаимодействия. Прочность связи характеризуется параметром t_оx (t_о – прочность сцепления, x – коэффициент контакта). Этот параметр повышается с увеличением поверхностного натяжения волокна s_с, характеризующего величину его поверхностной энергии (рис. 7.5.).

Рис. 7.5. Зависимость параметра t_оx боропластика от критического поверхностного натяжения борных волокон

Для обеспечения высокой прочности связи между компонентами необходимо полное смачивание волокон (которое достигается, например, растеканием жидкого связующего по поверхности волокон). Это означает, что энергия поверхности волокон должна быть больше поверхностного натяжения жидкой матрицы. Однако для жидких эпоксидных смол, обладающих лучшей адгезией к наполнителям среди других полимеров, энергия поверхностного натяжения s_с составляет 5,0 х 10^-5 Дж/м², тогда как для углеродных волокон энергия поверхности находится в интервале (2,7…5,8) х 10^-5 Дж/м², а для борных она равна 2,0 х 10^-5 Дж/м². Т.е. энергия поверхностного натяжения волокон ниже. Энергию поверхности волокон повышают различными методами обработки их поверхности: травлением, окислением, вискеризацией.

По сравнению с другими полимерами, применяемыми в качестве матриц композиционных материалов, эпоксидные обладают более высокими механическими свойствами в интервале температур от –60 до 180°С. Они отверждаются при сравнительно невысоких температурах с небольшой усадкой, позволяющей изготовлять из композиционных материалов на их основе крупногабаритные детали. При изготовлении деталей из композиционных материалов на основе эпоксидных матриц не требуется больших давлений, что особенно важно при использовании для армирования высокопрочных хрупких волокон, так как уменьшается вероятность их повреждения.

Эпоксидные матрицы уступают фенолоформальдегидным и особенно полиамидным в теплостойкости.

Среди КМ с неметаллической матрицей самую высокую прочность и удельную прочность имеют стекловолокниты. Они обладают хладостойкостью (до –196 °С) и хорошей теплостойкостью. Их используют для длительной работы в диапазоне температур 200…400 °С. Кроме того, благодаря демпфирующей способности они используются в условиях вибрационных нагрузок.

Достоинствами стекловолокнитов являются недефицитность и низкая стоимость упрочнителя, недостатком – сравнительно низкий модуль упругости.

Карбоволокниты обладают низкими теплопроводностью и электрической проводимостью, но все же их теплопроводность в 1,5…2 раза выше, чем у стеклопластиков, Они имеют малый и стабильный коэффициент трения и обладают хорошей износостойкостью. Температурный коэффициент линейного расширения карбоволокнитов в интервале 20…120 °С близок к нулю.

К недостаткам карбоволокнитов относят низкую прочность при сжатии и межслойном сдвиге. Специальная обработка поверхности волокон (окисление, травление, вискеризация) повышает эти характеристики.

Бороволокниты характеризуются высокими пределами прочности при растяжении, сжатии, сдвиге, твердостью и модулем упругости. Свойства бороволокнитов зависят не только от свойств волокон и их объемного содержания, но и в большой степени от их геометрии и диаметра. Большой диаметр волокон и высокий модуль упругости придают устойчивость боропластику и способствуют повышению прочности при сжатии.

Органоволокниты обладают высокой удельной прочностью в сочетании с хорошими пластичностью и ударной вязкостью. Характерной особенностью органоволокнитов является единая полимерная природа матриц и армирующих волокон. Матрица и наполнитель имеют близкие значения температурных коэффициентов линейного расширения, им свойственны химическое взаимодействие и прочная связь. Органоволокниты имеют бездефектную и практически беспористую структуру, хорошую стабильность механических свойств. Слабым местом при нагружении материала является межмолекулярные связи в самом волокне.

Структура органического волокна состоит из ориентированных макромолекул и их совокупности – фибрилл. Большая степень их ориентации в направлении оси волокон обеспечивает волокнам высокие прочность и жесткость. Однако неоднородность структуры волокон обусловливает различные напряженные состояния в отдельных ее элементах. Между ними возникают напряжения сдвига, которые приводят к расщеплению волокна вдоль оси и к разрушению. Такой механизм разрыва волокон вызывает большую работу разрушения композиционного материала в целом. Это характеризует высокую прочность при статическом и динамическом нагружении.

Резюме. Возможность создания из композиционных материалов элементов конструкций с заранее заданными свойствами делает их незаменимым материалов в авиации. Основным направлением развития композиционных материалов на сегодняшний день является поиск новых армирующих компонентов, обеспечение необходимого взаимодействия между матрицей и волокном, выбор перспективных матричных материалов. Особое внимание уделяется новым технологическим процессам изготовления композитов, обеспечивающих не только требуемую форму, но и комплекс заданных свойств.