Читайте также:
|
|
В качестве матрицы в композиционных материалах на неметаллической основе служат отвержденные термореактивные смолы: эпоксидные, полиэфирные, фенольные, полиамидные и др. Наполнителем могут быть стеклянные, углеродные, органические, борные волокна.
Композиты, упрочненные однотипными волокнами, получили называние по типу волокна.
КМ, содержащий наполнитель в виде длинных стекловолокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями, называют ориентированным стекловолокнитом. Неориентированные стекловолокниты в качестве наполнителя содержат короткое волокно. В том случае, если в качестве наполнителя служит стеклоткань, - стеклотекстолитом. Соответственно, углеволокнит, бороволокнит, органоволокнит (органит).
Преимущества таких материалов:
Недостатки:
1. низкая прочность и жесткость при сжатии и сдвиге;
2. снижение прочности при повышении температуры до 100 -200 0С (в некоторых случаях до 300 0С);
3. изменение физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.
В композиции с полимерной матрицей усилие от матрицы к армирующему элементу (наполнителю) передается за счет сил межмолекулярного взаимодействия и осуществляется за счет адгезии. Обеспечить прочную связь между волокном и матрицей можно при полном смачивании жидким связующим. В этом случае поверхностная энергия волокна должна быть больше поверхностного натяжения жидкой матрицы. Среди полимеров жидкая эпоксидная смола лучше других полимеров смачивает углеродные и борные волокна. На практике повышение энергии поверхности волокон, а, следовательно, увеличения адгезии достигают травлением, окислением волокон.
Технология производства изделий из композиционных материалов с полимерной матрицей включает следующие основные операции:
1) подготовка упрочняющих волокон (наполнителя):
– удаление замасливателя;
- нанесение на поверхность водоотталкивающих покрытий;
- снование, т.е. перемотка и укладывание волокон или лент в однонаправленную полосу – ровнину;
2) приготовление связующего (матрицы):
- проверка компонентов связующего;
- приготовление смеси компонентов (компаунда);
3) пропитка:
- пропитка волокон связующим;
- подсушивание и частичное отверждение;
4) формование;
5) отверждение;
6) удаление оправки;
7) контроль качества изделий;
8) механическая доработка и соединение с другими деталями.
Свойства КМ с волокнистым наполнителем определяют из уравнения аддитивности свойств.
ХК ∙VК = ХН ∙ VН + ХМ ∙VМ,
где ХК, ХН и ХМ - соответственно свойство готового композиционного материала, наполнителя и матрицы;
а VМ, VН и VМ - соответственно их объемные доли.
Непрерывные волокна могут быть ориентированы в матрице в различных направлениях. Основным недостатком КМ с одно или двумерным армированием (под углом 720) является низкая межслоевая прочность. Этого недостатка лишены КМ с объемным армированием.
КМ с наполнителем из непрерывных волокон получают путем намотки их на шаблон детали с последующей пропиткой образовавшегося каркаса полимерной смолой.
Стекловолокниты (стеклопластики). Однонаправленные стекловолокниты отличаются высокой анизотропией свойств. Наибольшую прочность и жесткость такие композиции имеют вдоль волокон. Этот недостаток устраняют в перекрестно армированных ориентированных стеклопластиках, в которых волокна расположены по различным направлениям.
СВАМ - стекловолокнистый анизотропный материал содержит стеклянные нити, которые по выходе из фильер, склеенные между собой в полосы, укладывают затем под углом 90 град. Связующим выступают различные смолы. В случае соотношения слоев 10:1 предел прочности до 950 МПа, модуль упругости до 58 МПа. Оптимальное содержание наполнителя 65-67%. Уменьшая диаметр волокон и вводя в матрицу монокристаллы Аl2О3, добиваются увеличения прочности стеклопластика до 2400 МПа. Плотность стеклопластиков 1,5 – 2,0 г/см3. Поэтому их удельные характеристики прочности сопоставимы с соответствующими характеристиками сталей. Стеклопластики способны длительное время работать при 200-300 0С. В течение десятков секунд они выдерживают температуры в несколько тысяч градусов.
Стеклотекстолиты. Из стеклянных нитей получают ткани, которые используют в качестве упрочнителя. Стеклянные нити по типу переплетения подразделяют на ткани полотняного, саржевого, сатинового и кордового плетения. Сатиновое переплетение наиболее редкое, а, учитывая высокую хрупкость стекловолокон, возможность их взаимного перетирания и разрушения под давлением, такие стеклотекстолиты лучше работают в конструкциях.
Неориентированные стекловолокниты содержат хаотично расположенные в плоскости или в пространстве дискретные короткие волокна. Для них характерна большая изотропия свойств, но меньшая прочность и жесткость. Для получения КМ с наполнителем из дискретных волокон используют пресс-массы, которые выпускают в виде сыпучей смеси, состоящей из полимера и наполнителя. В качестве наполнителя наиболее широко распространено рубленое стекловолокно. Путем прессования из пресс-массы получают детали сложной конфигурации конструкционного, радио- и электротехнического назначения. Предел прочности на растяжение лучших марок таких КМ соответствует уровню прочности высокопрочных алюминиевых сплавов.
Плотность стеклопластиков составляет 1,5 – 2,0 г/см3. Поэтому удельная прочность стеклопластиков сопоставима с удельной прочностью стали. Лучшие свойства обнаруживают стеклопластики на основе эпоксидной и фенолформальдегидной смол. Некоторые марки стеклотекстолитов способны выдерживать при изгибе до 1,5∙107 циклов.
По применению стеклопластики делят на конструкционные, электротехнические и радиотехнические. Однонаправленные стекловолокниты применяют для изготовления труб и различных профилей. Неориентированные пластики применяют в производстве корпусов лодок, автомобилей, катеров, мебели, покрытий полов, облицовки бытовых и железобетонных конструкций.
Стеклопластики с перекрестным армированием используют в конструкциях типа оболочек, в секциях крыльев, хвостового оперения и фюзеляжа самолетов, лопастей вертолетов, корпуса ракет, корпуса твердотопливных двигателей, футеровку емкостей для химического машиностроения.
Углепластики (карбоволокниты) по удельной прочности и жесткости существенно превосходят стеклопластики, сталь, алюминиевые и титановые сплавы. Но анизотропия свойств углепластиков выражена еще более резко, чем у стеклопластиков. Углепластики отличаются высоким усталостным сопротивлением нагрузкам по сравнению со стеклопластиками, что снижает вероятность растрескивания матрицы. По вибропрочности и демпфирующей способности углепластики превосходят многие металлы. Детали, выполненные из углепластика, с изменением температуры мало изменяют размеры и форму. Из-за высокой электропроводности и теплопроводности углепластики применяют в электрообогревающих устройствах. Большое распространение углепластики получили как конструкционный материал в отраслях новой техники: в авиации, космонавтике, ядерной технике. Из них выполнены конструкции, работающие на устойчивость под воздействием внешнего изгибающего момента, давления: лопасти несущего винта вертолетов; корпуса компрессоров и вентиляторов, вентиляторные лопатки; диски статора и ротора компрессора низкого давления авиационных двигателей. В результате применения углепластиков в этих узлах взамен металлических масса двигателя снижается на 15 – 20 %.
В космической технике из углепластиков изготавливают панели солнечных батарей, баллоны высокого давления, теплозащитные покрытия.
Углепластики стойки в агрессивных средах, поэтому их используют в производстве насосов для перекачки коррозионноактивных жидкостей.
Применение углепластиков в конструкциях самолетов сдерживается из-за неизбежной дефектности структуры в виде трещин, пор, которые закладываются на начальной стадии смачивания наполнителя жидкой матрицей.
Боропластики (бороволокниты) наибольшее применение нашли в авиационной технике. Их высокая прочность и жесткость при сжатии используется в конструкциях летательных аппаратов: балок, стоек, шасси, стрингеров. Широко используют боропластики в качестве усиливающих элементов металлических силовых конструкций. Например, применение упрочняющих колец из боропластика в конструкции диска, выполненного из титанового сплава, в компрессоре газотурбинного двигателя уменьшает его массу на 40 % при сохранении показателей надежности и прочности изделия.
Органоволокниты (органиты, органопластики) – КМ, состоящие из полимерной матрицы и наполнителя в виде синтетических волокон: капрона, нитрона, нейлона, лавсана.
Природа материала волокна и матрицы одинакова, поэтому между ними осуществляется наиболее высокая адгезия, что позволяет получать органопластики с практически беспористой структурой и стабильными механическими свойствами. Механические свойства органопластиков зависят от типа волокна. Объемная доля волокна составляет 35 – 37 %. Слабые межмолекулярные связи в волокнах являются причиной низкой прочности и жесткости при сжатии. Предельная деформация при сжатии определяется искривлением волокон, а не их разрушением. Большинство органопластиков может длительное время работать при 100 – 150 0С.
Органопластики обладают высоким сопротивлением знакопеременным нагрузкам и имеют высокие теплозащитные свойства.
Органоволокниты используют в элементах несущих и вспомогательных конструкций современных самолетов и вертолетов. Их применяют для обшивки самолетов и [SAA1] вертолетов, лопастей несущих винтов вертолетов, в паркетных панелях, в сотовых конструкциях. Применение органоволокнитов на 20-40% снижает массу деталей при сохранении их эксплуатационной надежности.
Обработка и соединение композиционных материалов
Соединение КМ производят через матрицу, по прочности существенно уступающей материалу наполнителя. КМ на металлической основе соединяют точечной или диффузионной сваркой, пайкой, с помощью болтов, заклепок, клея.
Наиболее надежным и дешевым способом соединения композиционных материалов является точечная сварка. Сварка КМ требует тщательного выбора режимов, обеспечивающих плавное регулирование давления и температуры, при которых бы упрочняющие волокна не подвергались длительному нагреву и не перерезались.
КМ, армированные металлическими и углеродными волокнами можно обрабатывать методами механической обработки: резкой, фрезерованием, сверлением, шлифованием.
Необходимо отметить, что механическая обработка КМ, армированных волокнами, методами резания крайне затруднена. Для ее проведения применяют дорогостоящий алмазный или твердосплавный инструмент. При сверлении, например, используют сверла с алмазным покрытием режущей кромки с охлаждением инструмента эмульсией. Наибольшие трудности возникают при армировании вольфрамовой проволокой диаметром, большим 0,3 мм.
Контрольные вопросы
Дата добавления: 2014-12-19; просмотров: 94 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |