Композиционные материалы на неметаллической основе.

Их преимуществом по сравнению с композиционными материалами на металлической 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.

Для большинства композиционных материалов с неметаллической матрицей характерны следующие недостатки: 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 полиимидной. В качестве упрочнителей используют высокопрочные и высокомодульные углеродные и борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент, нетканых материалов.

Группы композиционных материалов, армированные однотипными волокнами, имеют специальные названия, данные им по названию волокна. Композиции с углеродными волокнами называются углеволокнитами, с борными — бороволокнитами, стеклянными — стекловолокнитами, органическими — органоволокнитами. Для органоволокнитов используют эластичные (лавсан, капрон, нитрон) и жесткие (ароматический полиамид, винол) синтетические волокна.

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, характеризуемая параметром ( - прочность сцепления, - коэффициент контакта), повышается с увеличением критического поверхностного натяжения волокна характеризующего величину его поверхностной энергии. Для обеспечения высокой прочности связи между компонентами необходимо полное смачивание волокон (которое достигается, например, растеканием жидкого связующего по поверхности волокон); при этом 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 составляет тогда как для углеродных волокон энергия поверхности находится в интервале а для борных она равна Энергию поверхности волокон повышают различными методами обработки их поверхности: травлением, окислением, вискеризацией. Например, после травления борных волокон в азотной кислоте их критическое поверхностное натяжение достигает сотен джоулей на квадратный метр. Из рис. 13,30 видно, что благодаря травлению критическое поверхностное натяжение борного волокна увеличивается и параметр резко возрастает. Это говорит об увеличении прочности связи между волокном и матрицей.

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, что обеспечивает композиционным материалам более высокие прочностные характеристики

Рис. 13.30. Зависимость параметра То боропластика от критического поверхностного натяжения борных волокон

при сжатии и сдвиге. 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 полиимидным в теплостойкости.

ТАБЛИЦА 13.6. Влияние добавок иоиов Ва и Ni на свойства одноосноармироваииых композиционных материалов

Одним из способов улучшения свойств композиционных материалов является увеличение жесткости матрицы с помощью введения в их структуру ионов металлов, которые усиливают взаимосвязь между полимерными молекулами. Как видно из табл. 13.6, введение в матрицу 15% ионов или 7,6% ионов повышает модуль упругости при изгибе полиметиленфенольной матрицы соответственно на 25 и 50%. При этом предел прочности при изгибе композиции, армированной етекложгутом, возрастает более чем в 14 раз, а материала, армированного углеродным волокном, - более чем в 16 раз. Увеличение прочности композиционных материалов объясняется не столько повышением прочности самой матрицы (она изменяется мало), сколько увеличением жесткости и адгезионной прочности ее сцепления с волокном.

Механические свойства некоторых одноосно-армированных волокнистых композиционных материалов представлены в табл. 13.7. Самую высокую прочность и удельную прочность имеют стекловолокниты. Временное сопротивление стекловолокнитов повышается приблизительно в три раза по мере увеличения объемного содержания

ТАБЛИЦА 13.7. (см. скан) Свойства одвоосно-армированных композиционных материалов с полимерной матрицей

наполнителя до 80% и достигает 700 МПа при армировании непрерывными нитями (рис. 13.31). Дискретные волокна упрочняют менее эффективно. Уменьшение диаметра волокон, нанесение на них специальных покрытий, дополнительное введение в матрицу монокристаллов оксида алюминия способствуют повышению временного сопротивления стекловолокнитов до 2000-2400 МПа. 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. Однако по удельной жесткости они превосходят легированные стали и сплавы алюминия, магния и титана (2500-2800 км). Частичная замена стеклянных волокон на углеродные и увеличение доли последних вплоть до полной замены при общем постоянном содержании наполнителя вызывают повышение жесткости композиции (рис. 13.32). При полной замене модуль упругости увеличивается приблизительно в 3 раза и у карбоволокнитов достигает 180 ГПа. Однако временное сопротивление и удельная прочность при любом соотношении волокон не достигают уровня стеклопластиков.

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

Рис. 13.31. Зависимость прочности стекловолокнитов от содержания и вида наполнителя : I — непрерывное ориентированное волокно; 2 — короткое неориентированное волокно

Рис. 13.32. Зависимость механических свойств карбостекловолокнита от соотношения углеродных и стеклянных волокон (общее содержание наполнителя 62 об. %)

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.

Зависимость механических свойств бороволокнитов от объемного содержания волокон представлена на рис. 13.33.

Рис. 13.33. Зависимость механических свойств бороволокнита КМБ-1 от объемного содержания борных волокон

Однако свойства бороволокнитов зависят не только от свойств волокон и их объемного содержания, но и в большой степени от их геометрии и диаметра. Так, ячеистая структура волокна обеспечивает высокую прочность при сдвиге и срезе. Большой диаметр волокон и высокий модуль упругости придают устойчивость боропластику и способствуют повышению прочности при сжатии. Вместе с тем большой диаметр волокон вызывает необходимость увеличения эффективной длины волокон, повышает чувствительность к разрушению отдельных волокон, уменьшает временное сопротивление по сравнению с тонковолокнистым материалом.

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 (пористость 1-3%), хорошую стабильность механических свойств. Слабым местом при нагружении материала является не столько граница раздела между волокном и матрицей, сколько межмолекулярные связи в самом волокне.

Структура волокна неоднородна. Она состоит из ориентированных макромолекул и их совокупности - фибрилл. Большая степень их ориентации в направлении оси волокон обеспечивает волокнам высокие прочность и жесткость при растяжении в этом направлении. Однако неоднородность структуры волокон обусловливает различные напряженные состояния в отдельных ее элементах. Между ними возникают напряжения сдвига, которые приводят сначала к расщеплению волокна вдоль оси, а затем - к разрушению. Такой

механизм разрыва волокон вызывает большую работу разрушения композиционного материала в целом. Это характеризует высокую прочность при статическом и динамическом нагружении. Органоволокниты, особенно с эластичным наполнителем, имеют очень высокую ударную вязкость Слабые межмолекулярные связи являются причиной низкой прочности и жесткости при сжатии. При этом предельная деформация при сжатии определяется не разрушением волокон, а их искривлением. Дополнительное армирование органоволокнитов волокнами, затрудняющими это искривление, например, углеродными или борными, повышает прочность при сжатии.