Композиционные материалы на неметаллической основе.

По сравнению с КМ на металлической основе эти материалы отличает хорошая технологичность, низкая плотность и в ряде случаев более высокие удельные прочность и жесткость. Кроме того эти материалы имеют высокую коррозионную стойкость, хорошие теплозащитные и амортизационные свойства и т.д.

Для большинства КМ с неметаллической матрицей характерны следующие недостатки: низкая прочность связи волокна с матрицей, резкая потеря прочности при повышении температуры выше 100…200 °С, плохая свариваемость.

Среди неметаллических КМ наибольшее распространение получили композиции с полимерной матрицей: эпоксидной, фенолоформальдегидной и полиамидной.

В настоящее время для КМ особо высокой теплостойкости используют керамические и углеродные матрицы. В качестве упрочнителей применяют высокопрочные углеродные и борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент, нетканых материалов.

Группы КМ, армированные однотканными 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. Для обеспечения высокой прочности связи между компонентами необходимо полное смачивание волокон (которое достигается, например, растеканием жидкого связующего по поверхности волокон); при этом поверхностная энергия волокон должна быть больше поверхностного натяжения жидкой матрицы. Поверхностную энергию волокон повышают различными методами обработки их поверхности: травлением, окислением.

По сравнению с другими полимерами, применяемые в качестве матриц КМ, эпоксидные обладают более высокими механическими свойствами в интервале от - 60 до 180 °С, что обеспечивает КМ более высокие прочностные характеристики при сжатии и сдвиге. Эпоксидные материалы отверждаются при сравнительно невысоких температурах с небольшой усадкой, позволяющей изготовить из КМ на их основе крупногабаритные детали. При этом 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.

Одним из способов улучшения свойств КМ является увеличение жесткости матрицы с помощью введения в их структуру ионов металлов, которые усиливают взаимосвязь между полимерными молекулами. При этом предел прочности при изгибе матрицы, армированной углеродным волокном, возрастает более чем в 14 раз. Увеличение прочности КМ объясняется не столько повышением прочности самой матрицы (прочность изменится мало), сколько увеличением жесткости и адгезионной прочности ее сцепления с волокнами.

Стекловолокниты имеют самую высокую прочность и удельную прочность. Их временное сопротивление повышается примерно в 3 раза по мере увеличения объемного содержания наполнителя до 80 % и достигает 700 МПа при армировании непрерывными нитями.

Уменьшение диаметра непрерывных волокон, нанесение на них специальных покрытий, дополнительное введение в матрицу монокристаллов оксида алюминия способствует повышению временного сопротивления стекловолокнитов до 2000…2400 МПа. Они обладают хладостойкостью (до -196 °С) и хорошей теплостойкостью; способны длительное время работать в диапазоне температур 200…400 °С. Благодаря демпфирующей способности их используют для работы 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.

Частичная замена стеклянных волокон на углеродные и увеличение доли последних вплоть до полной замены при общем постоянном содержании наполнителя вызывают повышение жесткости КМ. Однако временное сопротивление и удельная прочность при любом содержании волокон не достигают уровня стекловолокнитов.

Углеволокниты обладают низкими значениями теплопроводности и электрической проводимости, но все же их теплопроводность в 1,5…2 раза выше, чем у стекловолокнитов. Они имеют малый и стабильный коэффициент трения и обладают хорошей износостойкостью. Температурный коэффициент линейного расширения углеволокнитов в интервале 20…120 °С близок к нулю.

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

Борволокниты характеризуются высоким временным сопротивлением, пределами прочности при сжатии и сдвиге, твердостью и модулем упругости.

Однако свойства борволокнитов зависят не только от свойств волокон и их объемного содержания, но и в большей степени от их геометрии и диаметра. Тонковолокнистый материал имеет меньшую чувствительность к разрушению отдельных волокон.

Органоволокниты обладают высокой удельной прочностью в сочетании с хорошими пластичностью и ударной вязкостью. Их характерной особенностью является единая полимерная природа матриц и армирующих волокон. Матрица и наполнитель вследствие свойственным им химическим взаимодействиям имеют прочную связь. Слабым местом при нагружении материала является не столько граница раздела между волокном и матрицей, сколько межмолекулярные связи в самом волокне. Неоднородность структуры волокон обусловливает различные напряженные состояния в отдельных ее элементах. Между этими элементами возникают напряжения сдвига, которые приводят сначала к расщеплению волокна вдоль оси, а затем к разрушению. Это характеризует высокую прочность при статическом и динамическом нагружении. Органоволокниты, особенно с эластичным наполнителем имеют очень высокую ударную вязкость (0,6…0,7 МДж/м²). 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 орагноволокнитов волокнами, затрудняющими это искривление, например углеродными или борными, повышает прочность при сжатии.