2020-07-12
130
Композиционные материалы можно классифицировать по следующим признакам: материалу компонентов, типу арматуры и ее ориентации, способу получения композиций и изделий из них, назначению.
В зависимости от материала матрицы (материаловедческий принцип) КМ подразделяют на следующие группы:
1) композиции с металлической матрицей – металлические композиционные материалы (МКМ);
2) композиции с полимерной матрицей – полимерные композиционные материалы (ПКМ);
3) композиции с керамической матрицей – керамические композиционные материалы (ККМ);
4) композиции с углеродной матрицей – углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ).
Полимерные КМ обычно различают по материалу армирующих волокон. Например, ПКМ, армированные стеклянными волокнами, называют стеклопластиками, металлическими – металлопластиками, органическими – органопластиками, борными – боропластиками, углеродными – углепластиками, асбестовыми – асбопластиками и т.п.
В отношении МКМ нет пока четко установленных правил присвоения названий. Чаще всего в начале названия пишут матричный материал, затем материал армирующий, например, медь-вольфрам.
|
|
|
По ориентации и типу арматуры (конструкционный принцип) все КМ можно разделить на три группы: изотропные, ортотропные и анизотропные.
Изотропными называют материалы, имеющие одинаковые свойства во всех направлениях (дисперсно-упрочненные и хаотично армированные материалы). Упрочнение осуществляется отрезками волокон или нитевидными кристаллами (усами). При этом КМ получаются квазиизотропными, т.е. анизотропными в микрообъемах, но изотропными в объеме всего изделия. Такие КМ с геометрической точки зрения относят к КМ с нуль-мерным армирующим компонентом (все размеры армирующего компонента намного меньше размеров элементарного объема КМ).
Ортотропными называют материалы, имеющие три плоскости симметрии, относительно которых свойства КМ практически одинаковы.
Анизотропными называют материалы, свойства которых зависят от направления.
Армирующие материалы могут быть однонаправленными, в виде сеток, слоистыми, трехмерными или сетчатыми с поперечной прошивкой, поэтому с геометрической точки зрения КМ можно разделить на две группы:
- КМ с одномерным армирующим компонентом, имеющим один размер армирующего материала, соизмеримый с размерами элементарного объема КМ (КМ, армированные волокнами);
- КМ с двумерным армирующим компонентом, два размера которого соизмеримы с размерами элементарного объема КМ (слоистые КМ, КМ, армированные тканями и фольгой).
При наличии в КМ нескольких армирующих компонентов различной размерности или природы их называют полиармированными.
|
|
|
По способу получения (технологический принцип) полимерные КМ можно разделить на литейные, прессованные и намоточные. Металлические КМ по этому способу разделяют на литейные и деформируемые (спекание, горячее прессование, диффузионная сварка, плазменное напыление на волокна или проволоки матричного материала с последующим прессованием или спеканием и т.д.)
По назначению (эксплуатационный принцип) КМ можно разделить на материалы:
1) общеконструкционного назначения (несущие конструкции самолетов, ракет, авиадвигателей, судов и т.д.);
2) жаропрочные (для лопаток турбин, камер сгорания и других изделий);
3) термостойкие (для изделий, эксплуатирующихся в условиях резких теплосмен, например для облицовки каналов МГД-генераторов);
4) фрикционные и антифрикционные;
5) ударопрочные (броня самолетов, танков);
6) теплозащитные;
7) со специальными свойствами (электрическими, магнитными, оптическими и др.).
Требования к волокнам, применяемым в качестве
армирующих материалов в КМ
Волокна, используемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства:
- высокую температуру плавления,
- низкую плотность,
- высокую прочность и жесткость во всем интервале рабочих температур,
- технологичность,
- минимальную растворимость в матрице,
- высокую химическую стойкость,
- отсутствие фазовых превращений в зоне рабочих температур,
- отсутствие токсичности при изготовлении и эксплуатации,
- совместимость волокон с материалом матрицы.
Для армирования в основном применяют следующие виды волокон:
- металлические волокна и проволоки,
- неорганические поликристаллические,
- стеклянные,
- органические,
- короткие волокна в виде монокристаллов или минеральных волокон.
Волокнистые армирующие элементы
Волокнистые армирующие элементы – это, как правило, непрерывные волокна в виде крученых и некрученых нитей, жгутов (ровингов), лент, тканей различного переплетения, металлических волокон и проволок, а также короткие волокна в виде порошков (монокристаллы), штапельных тканей, матов и т.д. Форма армирующих элементов зависит от природы волокон (состав и др.), способов их производства и дальнейшей текстильной переработки, а также от технологических процессов производства деталей из композиционных материалов.
Непрерывные волокна
Наиболее часто для производства деталей, узлов и агрегатов на основе полимерных матриц применяют стеклянные, органические, углеродные, борные волокна, а также тканые и нетканые материалы на их основе.
При производстве композиционных материалов с металлической матрицей применяют тонкие проволоки из стали, вольфрама, бериллия, титана, ниобия и других металлов.
На рис. 2.1 показаны диаграммы растяжения некоторых типов армирующих волокон.
Армирующие волокна могут быть ориентированными, иметь неоднородную структуру и обладать анизотропией механических свойств. К волокнам с явно выраженной анизотропией относятся органические волокна, углеродные, борные и некоторые другие волокна.
Металлические, стеклянные и некоторые другие волокна можно считать, как правило, однородными и изотропными.
В зависимости от расположения волокон в матрице можно получить анизотропные, ортотропные и квазиизотропные композиционные материалы.
 |
Рис. 2.1. Характерные диаграммы растяжения высокопрочных
волокон, применяемых в современных композитах:1 – борных;
2 – высокомодульных углеродных; 3 – высокопрочных углеродных;
4 – органических; 5 – S-стекла; 6 – Е-стекла
Стеклянные волокна
При сравнительно малой плотности ((2,4…2,6)∙103 кг/м3) стеклянные волокна имеют высокую прочность, низкую теплопроводность, стойкость к химическому и биологическому воздействию. Этим объясняется достаточно широкое применение стекловолокна, ровингов, тканей и других материалов на основе стекловолокна для создания деталей и элементов конструкций из стеклопластиков.
|
|
|
Наиболее широко применяется бесщелочное алюмоборосиликатное
Е-стекло (в состав его входят оксиды SiO2, Al2O3, B2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O и некоторые другие компоненты).
Непрерывные волокна получают вытягиванием расплавленной стекломассы через фильеры диаметром 0,8…3,0 мм и дальнейшим их быстрым вытягиванием до диаметра 3…19 мкм.
Форма поперечного сечения волокна может быть различной (рис. 2.2): круглой (1), трубчатой (2), в форме шестиугольника (3), квадратной (4), треугольной (5), прямоугольной (6).
Штапельное волокно получают вытягиванием непрерывного стекловолокна и разрывом его на отрезки определенной длины.
Кварцевое волокно получают, как правило, из стержней вытягиванием, так как кварц даже при температуре 2400 К имеет очень высокую вязкость, что затрудняет формирование его из расплава.
Поверхность стеклянных волокон покрывают замасливателем, который предотвращает разлохмачивание и истирание волокон при различных видах ткацкой переработки и препятствует адсорбированию на волокнах влаги из окружающей среды. Существует два вида замасливателей: пассивные и активные (гидрофобно-адгезионные). Пассивные замасливатели (например, парафиновая эмульсия или замасливатели на основе крахмала) применяются только на стадии ткацкой переработки волокна. Перед нанесением связующего на армирующий материал эти замасливатели удаляют с помощью термической или химической обработки.
|
Рис. 2.2. Формы сечений стеклянных волокон:
1 – круглое; 2 – круглое полое; 3 – шестигранное; 4 – квадратное;
5 – треугольное; 6 – прямоугольное
После удаления замасливателей на поверхность волокон часто наносят аппреты (аппретирование) – вещества, способствующие созданию прочной связи на границе волокно – матрица и исключающие гигроскопичность волокон. В качестве аппретов применяют обычно кремний, органические и металлоорганические соединения. Наиболее перспективны активные замасливатели, защищающие одновременно поверхность волокна от разрушения, повышающие адгезию между стекловолокном и полимерной матрицей и улучшающие переработку волокон.
|
|
|
На прочность стекловолокна определяющее влияние оказывает состояние поверхности волокна, которое зависит от условий его формирования.
Стекловолокна имеют высокую термостойкость и жаропрочность. При повышении температуры до 1200 К (900°С) модуль упругости кварцевого волокна возрастает с 74 (при 27°С, 300 К) до 83 ГПа. Бесщелочные алюмосиликатные стекла начинают снижать свою прочность при 600 К (327°С), натрий-кальцийсиликатные, борные, свинцовые и фосфатные – при
400…500 К (150…250°С). Модуль упругости снижается незначительно, вплоть до температуры размягчения.
Марки и механические свойства некоторых видов стекловолокон представлены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Механические свойства стекловолокон
|
Марка стекловолокна
| Плотность r×10-3, кг/м3 | Модуль упругости Е | Средняя прочность на базе 10 мм σƒ | Предельная деформация ε, %
| |
| ГПа | |||||
| Высокомодульное: ВМ – 1 ВМП УП – 68 УП – 73 Кислотостойкое № 7 – А | 2,58 2,58 2,46 2,40 2,56 |
95 93 85 83
74 | 4,20 - - - 2,0 | 4,8 - - - 3,6 | |
Стекловолокна применяются в композитах в виде жгутов и нитей из элементарных волокон, лент, тканей разнообразного переплетения, матов, холстов и других нетканых материалов.
Для изготовления изделий из стеклопластиков методом намотки промышленностью выпускаются стекловолокна в виде непрерывных жгутов (ровингов), состоящих из прядей комплексных нитей c суммарной линейной плотностью 555…4170 текс. (Текс – линейная плотность нити, определяемая как вес 1 км нити в граммах).
Тканые армирующие материалы получают путем текстильной переработки крученой комплексной нити, жгута, пряжи или ровингов. Для текстильной переработки используют стекловолокна диаметром 3…4 мкм. Тканые армирующие материалы технологичны, удобны при изготовлении крупногабаритных изделий, позволяют достигать высокого содержания арматуры в стеклопластинах.
Органические волокна
Чаще всего для производства изделий АКТ используют волокна на основе ароматических полиамидов (арамидные волокна). Применяют также полиамидные (например капрон, найлон и др.) и полиимидные волокна.
Механические свойства некоторых органических арамидных волокон приведены в табл. 2.2.
Высокомодульные и высокопрочные арамидные волокна обладают уникальным комплексом свойств: высокими прочностью при растяжении и модулем упругости, термостабильностью, возможностью работать в широком температурном интервале, хорошими усталостными и диэлектрическими свойствами, малой ползучестью.
Таблица 2.2
Механические свойства органических арамидных волокон
|
Марка волокна |
Плотность ρ×10-3, кг/м3 |
Диаметр dƒ, мкм | Модуль упругости Е | Средняя прочность на базе 10 мм σƒ |
Предельная деформация ε, %
|
| ГПа | |||||
| ВНИИИВЛОН СВМ Терлон | 1,43 1,43 1,45 | 15 15 - | 110-130 125-135 130-160 | 2,1-2,6 3,8-4,2 3,3-3,6 | 3-5 3-4 2,7-3,5 |
| Кевлар Кевлар-29 Кевлар-49 | 1,45 1,45 1,45 | 60 60-70 130-140 | 2,7 2,8-3,3 3,6-3,8 | 4,5 4,5 2,7-3.5 | |
Благодаря низкой плотности арамидные волокна по удельной прочности превосходят все известные в настоящее время армирующие волокна и металлические сплавы, уступая по удельному модулю упругости углеродным и борным волокнам.
Арамидные волокна отличаются хорошей способностью к текстильной переработке. Прочность после текстильной переработки составляет 90% исходной прочности нитей, что дает возможность применять арамидные волокна в виде различных тканей.
Углеродные волокна
Углеродные волокна относятся к классу наиболее перспективных армирующих материалов, так как обладают рядом ценных и даже уникальных свойств. Они имеют низкую плотность (1,43…1,83 г/см3), высокую прочность (
до 3500 МПа) и удельную прочность, высокую жесткость (модуль упругости Е = 250…600 ГПа) и удельную жесткость. Кроме этого углеродные волокна имеют высокую теплостойкость (в вакууме или в инертной среде), низкие коэффициенты трения и термического расширения. Они могут быть проводниками и полупроводниками.
Углеродные волокна подразделяются на карбонизированные (максимальная температура термообработки – 900…2000°С, содержание углерода – 80…90%) и графитизированные (температура термообработки – до 3000°С, содержание углерода – выше 99%).
Углеродные волокна получают методом термохимической переработки органических углеродсодержащих волокон:
a) полиакрилонитрильных волокон (ПАН-волокна);
б) гидратцеллюлозных волокон (ГЦВ) – вискозные волокна;
с) волокон, получаемых из углеродных (нефтяных и каменноугольных) пеков.
Наиболее дешевыми и доступными исходными материалами являются нефтяные и каменноугольные пеки, представляющие собой смесь олигомерных продуктов. Волокна из них формируют, пропуская расплав при температуре 100…350°С через фильеры диаметром 0,3 мм. Затем сформованное волокно вытягивают до степени вытяжки 100 000…500 000%. При этом достигается высокая ориентация макромолекул волокна.
Процесс получения углеволокна включает в себя следующие этапы:
1. Формирование исходного волокна.
2. Термохимическая переработка волокна на ранней стадии карбонизации при нагреве до температуры 450…700°С. При этом с помощью химических реакций удаляются радикалы, входящие в структуру ценных молекул полимера. В результате остается основная цепь молекул полимера, состоящая из атомов углерода.
3. Высокотемпературная карбонизирующая или графитизирующая обработка волокна с нагревом до 2000 или 3000°С.
Термохимическую обработку проводят в вакууме или инертной среде – азоте, гелии, аргоне. Для улучшения качества волокон и предотвращения усадки термохимическую обработку проводят одновременно с некоторой вытяжкой волокон (волокна должны быть в натянутом состоянии).
Существенное влияние на свойства углеродных волокон оказывает конечная температура термообработки. Изменяя ее, можно управлять свойствами волокна.
Свойства некоторых углеродных волокон и их марки приведены в
табл. 2.3.
Углеродные волокна имеют фибриллярное строение (рис. 2.3).
Характерный элемент структуры – закрытые поры, которые могут занимать до 33% объема волокна. Поры имеют иглоподобную форму, ориентированы вдоль основного волокна, их средняя длина – (2…3)∙10-2 мкм, а диаметр – (1…2)∙10-3 мкм. Увеличение числа пор снижает прочность волокна при растяжении. Углеродные волокна, применяемые для армирования конструкционных материалов, условно подразделяют на две группы: высокомодульные (Е = 300…700 ГПа, σƒ = 2,0…2,5 ГПа) и высокопрочные Е = 200…250 ГПа, σƒ = 2,5…3,2 ГПа).
Получены также волокна, в которых сочетаются высокая прочность и высокий модуль упругости.
Углеродные волокна удовлетворительно поддаются текстильной переработке, поэтому их достаточно широко используют в виде тканей. Но довольно часто они используются и в виде ровингов, ровницы, жгутов и других видов материалов.
Таблица 2.3
Механические свойства углеродных волокон
|
Марка волокна |
Плотность ρ×10-3, кг/м3
|
Диаметр dƒ, мкм | Модуль упругости Е | Средняя прочность на базе 10 мм σƒ |
Предельная деформация ε, %
|
| ГПа | |||||
| ВМН-3 ВМН-4 ВЭН-210 Кулон ЛУ-2 ЛУ-3 ЛУ-4 Урал-15 Урал-24 Элур | 1,71 1,71 - 1,90 1,70 1,70 1,70 1,5-1,6 1,7-1,8 1,6 | 7,0 6,0 9,9 - - - - - - - | 250 270 343 400-600 230 250 250 70-80 150-200 150 | 1,43 2,21 1,47 2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 3,0-3,5 1,5-1,7 1,7-2,0 2,0 | 0,6 0,8 0,4 0,4 1,0 1,1 1,3 2,1 1,1 1.3 |
Рис. 2.3. Структура углеродного волокна: А – поверхностный слой;
В – высокоориентированная зона; С – низкоориентированная зона;
1 – микрофибриллы; 2 – аморфный углерод
К недостаткам углеволокна можно отнести:
1) склонность к окислению на воздухе (особенно при температуре 300…400°С);
2) высокую химическую активность при взаимодействии с металлическими матрицами;
3) возникновение электрического потенциала на границе волокон и металлической матрицы;
4) относительно слабую адгезию к полимерным матрицам.
Для устранения указанных явлений проводят исследования по нанесению на углеволокно металлических и керамических покрытий.
Борные волокна
Волокна бора являются одним из перспективных армирующих материалов композитов с полимерной и металлической матрицами. Волокна бора имеют довольно низкую плотность (2,55…2,65 г/см3), высокую прочность при растяжении sв (до 3500 МПа) и сжатии, высокий модуль упругости
(Е= 380…420 ГПа), высокую твердость и износостойкость (микротвердость
– до 4000 кгс/мм2; твердость по Моосу – 9,3 ед., у алмаза эта твердость равна 10 ед.), высокую температуру плавления (2050°С). Борные волокна имеют большую сдвиговую жесткость (G = 180 ГПа), пониженную тепло- и электропроводность.
Основной метод получения борных волокон – осаждение бора из газовой смеси треххлористого бора (BCl3) и водорода (Н2) на вольфрамовую нить диаметром ~12 мкм при температуре 1000…1100°С под давлением, близким к атмосферному. В результате осаждения образуется сердцевина из боридов вольфрама (WB, W2B5 и WB) диаметром 15…17 мкм, вокруг которой располагается слой поликристаллического бора. Нагрев вольфрамовой нити осуществляется через ртутные электрические контакты, одновременно образующие гидравлические затворы для герметизации камеры реактора. Скорость движения волокна через реактор непрерывного действия составляет 0,8…1 м/мин. В результате осаждения получается бороволокно диаметром, как правило, 100 мкм (иногда 150 и 200 мкм).
Таким образом, борные волокна неоднородны по составу, структуре и анизотропны. Предел прочности сердцевины волокна ниже предела прочности волокна в целом. Сердцевина волокна нагружена большими сжимающими напряжениями, а бор в области, прилегающей к подложке (вольфрамовой нити), – растягивающими. Это приводит к возникновению радиальных трещин в борных волокнах вследствие больших остаточных напряжений, которые растут с увеличением диаметра волокна.
Разрушение волокон бора происходит в основном по дефектам на поверхности волокна. Поверхностное травление позволяет уменьшить дефектность волокна и увеличить его прочность. Еще большего дальнейшего увеличения прочности можно добиться соблюдением абсолютной чистоты реакционной камеры и камеры охлаждения, чтобы свести к минимуму посторонние включения в волокне.
Механические свойства некоторых типов борных волокон приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Механические свойства борных волокон
|
Марка волокна | Плотность ρ ×10-3, кг/м3
| Диаметр dƒ, мкм | Модуль упругости Е | Средняя прочность на базе 10 мм σƒ | Предельная деформация ε, %
|
| ГПа | |||||
| Avco (B/W) | 2,58 2,50 2,50 | 101 143 98 | 400 390-400 390-400 | 2,52 3,47 3,39 | 0,6 0,9 0,85 |
| Hamilton Ltd.division (B/W + SiC) | 2,76 2,76 | 107 147 | 394-403 400 | 3,80 3,30 | 0,95 0,80 |
| B/W | 2,5 |
 3
| 394 | 2,95-3,5 | 0,75-0,9 |
Для повышения жаростойкости борных волокон, защиты их от воздействия некоторых металлических матриц и повышения адгезии волокон к некоторым матричным материалам волокна покрывают карбидом кремния путем осаждения из парогазовой фазы в среде аргона и водорода. Волокна бора, покрытые тонким слоем карбида кремния, называются борсиком.
Американские фирмы осуществляют также производство борного волокна осаждением бора на углеродное волокно. Аналогичные работы проводятся и в других странах.
Борные волокна выпускаются промышленностью как в виде моноволокон на катушках, так и в виде полуфабрикатов, представляющих собой комплексные армирующие материалы: ленты полотняного переплетения шириной от 50 до 500 мм, основа которых образована борными волокнами, а уток – полиамидными или другими волокнами.
Волокна бора находят широкое применение в производстве композитов на основе полимерной и алюминиевой матриц. Композиты на основе борных волокон и алюминиевой матрицы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналогичными материалами с полимерной матрицей. Они, например, могут работать при температуре до 370°С (640 К) и перерабатываться на обычном технологическом оборудовании, применяемом в металлургическом производстве.
Недостатки борных волокон
1. Прочность борных волокон имеет значительный статистический разброс. Коэффициент вариации прочности в зависимости от дефектности структуры поверхности волокон колеблется в пределах 17…36%.
2. Из-за высокой жесткости и большого диаметра борные волокна довольно ограниченно поддаются ткацкой переработке. Их используют только вдоль основы чаще всего лент, иногда тканей. Вдоль утка используют органоволокна (бороорганоленты и ткани), стекловолокна (боростеклоткани и ленты), углеволокна (бороуглеткани, ленты), комбинированные тканые материалы, например, боростеклоткани, ленты и др.
