МАТРИЧНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
КОМПОНЕНТЫ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
под тема: Матричные (связующие) компоненты композицион-ных материалов
Требования к матрицам:
Армирующие компоненты композиционных материалов в виде волокон, нитей, тканей и др. сами по себе не являются конструкционными материалами. Для того чтобы получить армированный пластик, необходимо соединить волокна друг с другом, обеспечить передачу усилий между ними, зафиксировать форму изделий и взаимное расположение армирующей компоненты, т. е. создать монолитную структуру композита. Для этого используются различные связующие. В качестве связующих применяются полимерные, металлические и керамические материалы.
Физико-механические и технологические свойства связующих должны позволять получать конструкции прочные, легкие, мало-энер¬гоемкие, технологичные. При выборе связующего, помимо удовлетворения прочностным, технологическим, адгезионным свой-ствам, необходимо обратить внимание на следующее: относительное удлинение матрицы при растяжении, сжатии, сдвиге должно быть не меньше относительного удлинения волокон. Иначе при действии внешней нагрузки разрушение в первую очередь начнется в связующем, что существенно снизит несущую способность конструкции. Нужно стремиться к тому, чтобы коэффициенты теплового расширения связующего и волокна были близкими. Как правило, коэффициенты теплового расширения смол значительно больше, чем волокон, что приводит к большим внутренним напряжениям, снижающим несущую способность конструкции. Связующее должно обладать малой вязкостью и хорошей адгезионной способностью к армирующему материалу. Малая вязкость необходима для того, чтобы связующее могло проникнуть и склеить между собой волокна и после отверждения получилась монолитная система. Выбранный тип связующего должен обеспечить легкость и простоту технологического формования и заполнения формы при возможно более низких тем-пературах и давлениях. После полимеризации (отвердевания) оно должно иметь монолитную структуру и обеспечить передачу внеш-них усилий к волокнам. Связующее должно обладать высокой адге-зионной прочностью к волокнам. Для повышения адгезионной прочности волокна покрывают очень тонким слоем специальных веществ, называемых аппретами. Аппреты не только обеспечивают высокую адгезионную прочность между связующим и волокнами, но и снижают внутренние напряжения на границе волокно-матрица, возникшие из-за разности коэффициентов линейного расширения. От связующего в значительной степени зависят такие свойства композиционных материалов, как теплостойкость, влагостойкость, длительная прочность, стойкость под действием агрессивных сред.Тема такая что теплостойкость должна быть не меньше температуры эксплуатации изделий из КМ.
После формования изделия из композиционных материалов отвержденное связующее называется матрицей. Часто эти понятия являются синонимами.
Пропитанный связующим армирующий каркас при формиро-вании обычно подвергается действию значительного давления. Важ-но, чтобы пузырьки воздуха или технологического газа - носителя связующего - не задерживались в композите. Поскольку для дости-жения высоких механических характеристик объемное соотношение армирующего материала и полимерной матрицы в тексти¬льных композитах должно составлять около 70/30, важно иметь способ удаления избытка связующего, введенного при пропитке. После получения требуемой степени пропитки полимерное связующее отверждается. Отверждение происходит при нормальной или повышенной температуре в одну или несколько стадий в зависимости от вида армирующего материала, типа связующего, способа изготовления композита, необходимой скорости отверждения, степени отверждения и требований к свойствам конечного продукта. Отверждение при высокой температуре увеличивает термостойкость матрицы и композита, однако при этом возрастает их хрупкость.
Термореактивные матрицы
Основным видом смол для изготовления композитов, от кото-рых не требуется высокой термостойкости, являются полиэфирные смолы, которые относительно дешевы, обладают хорошей текуче-стью, хорошо смачивают поверхность волокон (благодаря низкой вязкости) и отверждаются при умеренных температурах. Однако при повышенных температурах они имеют низкую прочность, плохо сопротивляются удару и проявляют значительную усадку. Тем не менее они с успехом применяются для изготовления композитов самого разного назначения, что позволило накопить значительный опыт в этой области технологии композитов.
Для высокотемпературных областей применения основным связующим для волокнистых композитов являются эпоксидные смо-лы . Они обладают высокой прочностью и отверждаются при сравнительно невысоких температурах. Эти системы характеризу-ются меньшой усадкой и меньшой склонностью к ползучести, чем полиэфирные. К отрицательным свойствам эпоксидных смол отно-сятся высокая стоимость и токсичность, повышенная хрупкость, а также пониженная прочность при высоких температурах. В целом по присущему им комплексу свойств эпоксидные смолы являются наилучшими из доступных полимерных систем для изготовления композитов, работающих при повышенных температурах. Ударные воздействия или высокие напряжения при повышенных температу-рах эксплуатации требуют от композита повышенной ударной прочности. В этом случае необходимо применять рецептуры эпоксидных смол, обладающих большей эластичностью. Такие рецептуры существуют, однако их применение связано с необходимостью выбора между улучшенной ударной вязкостью и сниженными прочностью, жесткостью и термостойкостью.
Термостойкие матрицы. Термостойкие матрицы представляют собой полимеры, молекулярные цепи которых состоят из гетероароматических звеньев, имеющих высокую температуру стеклования, способные выдержать на воздухе продолжительный нагрев свыше 300С без заметных изменений структуры. Наибольшее применение получили полиимиды полимеризационного типа, состоящие из олигомеров и смесей имидообразующих мономеров.
Полиимидные связующие наносятся на волокна различными методами. Полученные полуфабрикаты имеют длительную жизне-способность. Отверждение полиимидных связующих протекает при температурах 300 … 350С без выделения летучих продуктов.
Композиты с полиимидными матрицами характеризуются вы-сокой термостойкостью, прочностью, стойкостью к действию раз-личных агрессивных сред, стабильностью размеров в широком тем-пературном интервале.
Основными недостатками полиимидных связующих являются технологические трудности изготовления изделий на их основе.
Термопластичные матрицы
В настоящее время получает развитие производство термопластичных композиционных материалов (ТКМ) на основе твердофазного совмещения непрерывных армирующих и термопластичных волокон по так называемым “волоконной” и “пленочной” технологиям. Суть “волоконной” технологии заключается в максимальном приближении термопластичного связующего в виде волокон к волокнам армирующего материала. Создается тканый полуфабрикат (ткани, лента, трикотаж и др.), состоящий из армирующих волокон и волокон термопластичного связующего с взаимно максимальным их приближением друг к другу.
Возможность чередовать непрерывные матричные и арми-рующие волокна с заданной регулярностью с надежной фиксацией схемы армирования структуры на всех стадиях переработки полу-фабрикатов создала предпосылки создания целой гаммы перспек-тивных КМ. Необходимо подчеркнуть, что “волоконная” технология отличается экологической чистотой и неограниченным сроком хранения полуфабрикатов по сравнению с жидкофазным совмещением традиционных технологий получения полуфабрикатов КМ.
К ним относятся легкие металлы и сплавы. Наибольшее ис-пользование в качестве матриц получили алюминий, магний и их сплавы, что объясняется благоприятным сочетанием физико-механических и технологических свойств при создании термостой-ких композиционных материалов
Наибольшее применение металлические матрицы получили в изделиях из КМ в авиационной технике.
Композиционные материалы углеалюминий, углеалюминий-магний в настоящее время находят применение в производстве поршней для двигателей внутреннего сгорания.
Керамические матрицы
Керамические матрицы используются для создания КМ, рабо-тающих в условиях высоких температур ( Т > 1000С, лопатки газовых турбин, камеры сгорания и др.).В поле зрения практического использования наибольший интерес представляют нитрид кремния Si3 N4, кремний Si, нитрид бора BN, карбид кремния SiC. Эти керамические материалы обладают наилучшей комбинацией высокотемпературной прочности и стойкостью к горячей коррозии. Однако из-за хрупкого характера разрушения и неспособности к рассеянию концентрированных напряжений при низких и средних температурах керамические матрицы чувствительны к тепловому удару и надрезу.
