Получение других типов наполнителей

Как известно, основным волоконным материалом для композитов, до недавнего времени, служили стеклянные волокна, которые вытягивают из расплавленной, специально приготовленной смеси оксида кремния с оксидами различных металлов. Основные затраты при изготовлении стекловолокон - это затраты энергии на расплавление и гомогенизацию смеси. Стеклопластики — наиболее дешевые композиционные материалы, поэтому они широко используются в строительстве, быту, в наземном транспорте. Главный недостаток стеклянных волокон — сравнительно большая плотность и низкий модуль упругости. Близкие по природе стеклянным базальтовые волокна, сырьем для которых является очень дешевый природный минерал, имеют похожие, но, к сожалению, часто нестабильные свойства.

Следующий тип армирующих волокон - углеродные волокна - был создан для преодоления таких недостатков стеклянных волокон, как низкий модуль упругости и большая плотность. В качестве сырья для получения углеродных волокон обычно используют полимерные полиакрилонитрильные или вискозные волокна. Специальная многостадийная термическая обработка полимерных волокон (например, на основе полиакрилонитрила) при высоких температурах (2000 °С и выше) приводит к карбонизации и графитизации волокна, в результате чего конечное волокно состоит только из углерода. Углеродные волокна непрерывно совершенствуются, повышается их прочность и жесткость, увеличивается ассортимент.

Говоря про армирующие волокна, следует остановиться на высокопрочных высокомодульных полимерных волокнах. Для них характерны самая низкая плотность, высокая удельная прочность при растяжении (под удельной прочностью понимают отношение прочности к плотности); высокое сопротивление удару и динамическим нагрузкам, очень низкая прочность при сжатии и изгибе. Полимеры, из которых получают такие волокна, делятся на жестко- и гибкоцепные.

Примеры первых — полипарафенилентерефталамид (торговое название волокна — кевлар) и полибензотиазол. Полиэтилен и поливиниловый спирт — примеры вторых. Макромолекулы в волокнах, изготовленных из этих полимеров, в основном ориентированы в направлении оси волокна и свойства волокон (прочность, модуль упругости и др.) различны вдоль и поперек него. Чем выше степень ориентации, тем выше прочность при растяжении вдоль волокон. Жесткоцепные полимеры даже при высокой температуре сами стремятся сориентироваться в одном направлении, поэтому при их изготовлении используют стадию термообработки. Основная проблема достижения высоких характеристик волокон из гибкоцепных полимеров — добиться высоких степеней ориентации в процессе вытяжки.

В настоящее время для армирования полимерных волокнистых композиционных материалов широко используются разнообразные полимерные волокна. Они входят в состав композита в виде коротких (резаных) волокон, нитей, лент, жгутов, тканей, нетканых материалов и войлоков и других волокнистых структур.

Для получения волокнистых ПКМ применяются различные виды органических химических армирующих волокон, нитей и волокнистых материалов на их основе: технические нити - полиэфирные (лавсан), поливинилспиртовые и др.; параарамидные высокопрочные и высокомодульные волокна и нити (армос, русар, тварон, кевлар); метаарамидные термостойкие волокна (фенилон, номекс, конекс) для некоторых видов термостойких ВПКМ; полиоксадиазольные волокна и нити (арселон) для некоторых видов термостойких и фрикционных ВПКМ; волокна общего наначения (полиамидные, полиэфирные, вискозные и др.). Основные выпускные формы органических АВН: резаные волокна, нити, жгуты, ленты, ткани, плетеные и вязаные структуры, холсты и нетканые материалы. Для специальных видов композитов используются термостойкие ароматические волокна (метаарамидные, полиоксадиазольные и др.). В небольших количествах используются акриловые (нитрон), поливинилспиртовые (винол) и некоторые другие волокна.

В качестве матрицы применяются термопласты (полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, полисульфоны, фторопласты и др.) и реактопласты (фенопласты - фенолформальдегидные или фенольные; аминопласты - меламино- и мочевиноформальдегидные; эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические, полиимидные и др. полимерные связующие).

Преимущества ПКМ

Механические и эксплуатационные свойства ПКМ в составе рабочей конструкции, а также технологические свойства материала в состоянии переработки зависят от применяемых компонентов, структуры армирования, способа переработки, формы изделия.

Преимущество ПКМ перед изотропными материалами – это возможность конструировать материал, подбирая компоненты и направления армирования. Т.е. можно создавать материал с заранее заданными свойствами и оптимальным их распределением в плоскости изделия и по толщине. Кроме того, возникает возможность совместить эксплуатационные характеристики (например, электро-, тепло-, звукоизоляцию) с конструкционной прочностью и исключить специальные слои не способные нести механической нагрузки. Природа и технологические свойства рассматриваемых материалов в состоянии переработки таковы, что позволяют сравнительно простым способом получать многослойные структуры с легковесными заполнителями (сотовые конструкции), т.е. снижать массу изделий. В ряде случаев снижение массы достигается также в связи с более высоким, чем например у металлов соотношением механических характеристик к плотности(σ/ρ, Е/ρ).

Достоинством ПКМ являются их коррозионная стойкость и трещинностойкость, а также возможность получать сложные крупногабаритные изделия сравнительно простыми способами, на простом оборудовании при низкой квалификации изготовителей.

К недостаткам можно отнести следующее:

¾ Материал каждого изделия создается индивидуально, в процессе его изготовления. Т.е. свойства каждого изделия зависят от соблюдения технологического процесса. Поэтому, в принципе, требуется применять неразрушающий контроль каждого изделия.

¾ Принципиально невозможно создать процесс соединения деталей, аналогичный процессу сварки металлов, что существенно усложняет сборку.