Технологии

Анизотропия свойств углепластиков

Поэтому при проектировании структуры углепластиков и изделий из них необходимо учитывать направление (вектор) действия нагрузок при эксплуатации.

Среди недостатков углепластиков - меньшая, по сравнению с другими армированными пластиками, удельная ударная вязкость, недостаточная трещиностойкость и более высокая чувствительность к концентрации напряжения. Чередование в структуре материала армирующих наполнителей различной химической природы позволяет устранить эти недостатки. С этой целью производят комбинированные ткани на основе смесей стеклянных и углеродных волокон.

Еще одним видом армирующих наполнителей для производства полимерных композитов являются базальтовые волокна. Базальт - это природный аморфный материал вулканического происхождения, его месторождения имеются в разных странах. По химическому составу базальт близок к алюмоборосиликатному стеклу, наиболее широко используемому в производстве стеклопластиков.

Первые попытки получить волокно из расплав природного базальта были предприняты еще 1923 году в США.

Свойства базальтовых волокон не зависят от его месторождения, а технология их производства имеет большое значение.

Этот материал абсолютно безвреден и может широко использоваться, в том числе и для производства товаров широкого потребления.

Для производства базальтопластов используют волокна, нити, ленты, ткани и нетканые полотна различной структуры. Базальтопласты обладают высокой теплостойкостью, химической стойкостью, что позволяет в ряде случаев отказаться от использования асбопластиков. Базальтопласты сохраняют свои высокие диэлектрические, прочностные и фрикционные характеристики до температур 300-450 °С в зависимости от природы связующего полимера.

Интересными свойствами обладают органопласты, в которых армирующей фазой являются полимерные волокна. Свойства полимер-полимерных композитов определяются особенностями химического и физического строения полимерных волокон. Для их изготовления могут применяться карбо- и гетероцепные полимеры (полиамид, полиакрилонитрил, поливинилхлорид, полипропилен, политетрафторэтилен и др.). Однако применение этих полимеров ограничено вследствие низких прочностных свойств получаемых на их основе композитов.

Более широко для получения армирующих волокон используются высокопрочные высокомодульные полимеры. Предельно ориентированные арамидные волокна на основе ароматических полиамидов выпускаются в разных странах под различными названиями. В России - это СВМ и армос, в США - кевлар. Из таких волокон изготавливают комплексные нити, жгуты, ленты, ткани, нетканые материалы и другие армирующие наполнители.

Высокомодульные органические волокна в силу своего химического строения и надмолекулярной организации обладают чрезвычайно высокими прочностью (до 5,0-5,5 ГПа) и модулем упругости (до 160-180 ГПа), они термо- и теплостойки, устойчивы к воздействию органических растворителей, нефтепродуктов и минеральных масел.

В последние годы появились волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, которые наряду с высокой прочностью обладают отличными сопротивлением истиранию, светостойкостью, химстойкостью и низкой плотностью. Однако они уступают арамидным волокнам по показателям ползучести, теплостойкости и горючести.

Полимерная природа волокнистого наполнителя придает органопластам способность к пластической деформации без хрупкого разрушения. В органопласте, армированном полимерными волокнами, происходит диффузия полимерного связующего в поверхностные слои волокон с образованием промежуточного межфазного слоя. Благодаря этому свойства наполнителя в составе композиционного материала отличаются от свойств исходного волокна. Степень отличия зависит от термодинамической совместимости двух полимеров, из которых изготовлены матрица и волокно.

Развитый межфазный слой в органопластах на границе раздела «волокно - матрица» принципиально отличает эти материалы от угле- и стеклопластиков. Такие материалы обладают более высокими ударной вязкостью, вибропрочностью, эрозионной стойкостью и усталостной прочностью. Благодаря наличию высокоразвитого и неоднородного по толщине межфазного слоя при разрыве органопластов образуется кратероподобная поверхность разрушения (рис. 12,а). Иной характер носит картина разрушения стеклонаполненного композита: армирующее стеклянное волокно при его разрушении вырывается из полимерной матрицы (рис. 12,б).