Известны два метода получения изделий из жестких пенопластов. Первый из них предполагает использование формы, состоящей из двух частей — наружной и внутренней. В наружную (охватывающую) часть формы для изготовления обтекателя наливают предварительно смешанные исходные компоненты, после чего в нее опускают меньшую по размеру внутреннюю часть формы. Погружение осуществляют на глубину, соответствующую заданной толщине стенки обтекателя. В результате реакционная масса поднимается в кольцевом зазоре между двумя поверхностями. Перед заполнением пенообразующей массой внутреннюю поверхность охватывающей части и внешнюю поверхность внутренней части формы обычно покрывают полиэфирным пластиком. Предварительно обе поверхности для улучшения адгезии очищают пескоструйным способом. При использовании такого метода удается достаточно точно соблюдать заданную форму изделия.
Второй метод получения изделий из жестких пенопластов отличается от первого тем, что порожнюю форму закрывают крышкой и заполняют вспенивающейся массой через небольшие (около 2,5 см) отверстия в крышке. Такой способ применяют для заполнения конструкционных узлов самолетов, например элеронов.
Эластичные пеноматериалы из полиэфируретанов также привлекли внимание специалистов авиационной и ракетной техники. Эти материалы обладают прекрасными термоизоляционными свойствами, что позволяет использовать их для уменьшения выкипания ракетного топлива ракеты «Сентаур». К недостаткам полиэфируретановых материалов относится низкая устойчивость к воздействию повышенных температур и атмосферных факторов. Более атмосферостойкими оказались пластики па основе эпоксидных смол, с которыми мы сейчас познакомимся детальнее.
Свыше 90% из выпускаемых эпоксидных смол представляют собой олигомеры, получаемые по реакции ароматического двухосновного спирта бисфенола. Это вязкие жидкости и в. таком виде они редко находят применение. Для получения твердых прочных материалов необходимо сшить молекулы олигомеров в более длинные полимерные молекулы. Для сшивания используют отвердители, способные реагировать с концевыми реакционноспособными группами олигомеров при комнатной температуре или при нагревании до 60—200 °С. Другими примерами использования стеклонаполненных (эпоксидных смол являются материалы для зализа крыла и деталей интерьера гражданского самолета марки DC-Х-200 фирмы «Дуглас» и для сотовых конструкций космического аппарата, из которых изготовлены солнечные антенны.
Показательно, что из общего количества (4200 т). ПКМ, использованных в авиационной и космической технике США в 1981 г., стеклопластики составили около 3500 т. В 1991 г. ожидают увеличения этой цифры до 6000 т. Однако эпоксидные смолы, наполненные стекловолокном, имеют слишком низкий модуль упругости, чтобы, быть использованными в ответственных конструкционных і узлах современных самолетов. Гораздо более перспективными в этом отношении оказались эпоксидные смолы, наполненные волокнами элементного бора. Характерными свойствами композитов на основе борных волокон являются высокий модуль упругости, т.е. большая жесткость, в сочетании с низкой плотностью (на 27% меньше, чем плотность алюминия). В американском самолете марки F-111 применяются борэпоксидные стабилизаторы, передние кромки и закон-цовки крыльев. Законцовки крыльев легче традиционных алюминиевых почти на 16%: Горизонтальный стабилизатор этого самолета подвержен действию флаттера, т. е. сочетанию изгибающих и крутильных колебаний, опасных для конструкции, и поэтому должен обладать одновременно жесткостью и механической прочностью. В результате замены алюминиевого стабилизатора на борэпоксидный удалось снизить массу конструкции на 27%, сохранив вполне достаточную прочность. Композиционные материалы этого типа были использованы также при изготовлении винта вертолета «Боинг Вертол».
В последние годы эпоксидные смолы, наполненные углеродным волокном, широко используются для конструкционных деталей сверхзвуковых самолетов. При изготовлении этих материалов поверхность углеродных волокон подвергают специальной обработке для увеличения адгезии к смоле. Такая обработка обычно повышает прочность при изгибе, но снижает ударную вязкость. Для получения менее хрупких материалов, т.е. для увеличения их ударной вязкости, к углеродным волокнам добавляют небольшие количества стекловолокна.
Фирма «Локхид» предложила использовать вертикальные стабилизаторы, элероны и интерцепторы (органы управления), изготовленные из углеэпоксидного композита, для пассажирского самолета L-1011. Общее снижение массы этого самолета в результате замены металлических сплавов на композиционные материалы достигает 230 кг. При создании стабилизатора на самолете L-1011 решена проблема гальванической коррозии, которая наблюдалась при соединении композита с деталями из алюминиевого сплава. Для предотвращения коррозии в местах контакта этих разнородных материалов помещают ткань из полиамидного волокна кевлар. Фирма «Боинг» (США) широко применяет углеэпоксидпые композиты, в частности в пассажирском самолете «Боинг-747».
Углеэпоксидные композиционные материалы нашли применение и в космической технике. Из них изготовлены жесткие конструкции американского спутника ATS-F, запущенного на орбиту с расстоянием 35000 км от Земли. Высокая удельная прочность этих материалов и малое значение коэффициента термического расширения использованы в системе ориентации спутника; они обеспечивают ее работу в интервале температур от — 160 до -1120 °С.
Из сказанного видно, сколь широко и плодотворно оказалось применение композитов с эпоксидным связующим в самолето- и ракетостроении.
Использование композиционных пластиков в автомобилестроении
Зарубежные специалисты подсчитали, что около 53% стоимости автомобиля приходятся на материалы. Поэтому их правильный выбор играет существенную роль. Если сопоставлять по стоимости автомобильные кузова из различных материалов, то стальной кузов окажется значительно дешевле пластмассового. Однако, по подсчетам экономистов, это соотношение со временем должно изменяться в пользу последнего.
Первый шаг в применении пластмасс для кузовов был весьма примитивным: несущий стальной каркас покрывался методом вакуум-формования сополимером акрило-нитрила, бутадиена и стирола. Разумеется, эта конструкция еще не отвечала требованиям качества и комфорта. Более совершенный метод был разработан применительно к экспериментальной модели «Авто-2000» автомобиля «Фольсваген» (ФРГ). Кузов этой машины состоит из днища и передка, боковых стенок и крыши; все они формуются из листовой стали и свариваются, образуя несущий каркас. На конвейере на них навешиваются различные пластмассовые детали. Основная часть передка кузова — пластмассовая рама, на которую крепятся бампер, шарниры капота, фары и радиатор. Сверху располагаются полимерная оболочка, реберная конструкция и лицевое покрытие бампера. Такой бампер выдерживает без остаточной деформации удар при движении автомобиля со скоростью 4 км/ч.
Стеклопластики, более чем какие-либо другие ПКМ, нашли применение в автомобильной промышленности. Например, в США в 1987 г. на каждую легковую машину устанавливали в среднем около 7 кг стеклопластиковых деталей: передние и задние панели кузова, панели управления, оконные рамы и т.д. Около 40% таких деталей изготовлены из стеклонаполненных термопластов и 60% — из полиэфирных смол.
В качестве связующих для стеклонаполненных ПКМ фирма «Байер» (ФРГ) предложила использовать полиэфируретановые каучуки. Полученные на их основе материалы прекрасно подошли для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки, например спойлеров, крыльев и бамперов автомобилей. Помимо требуемой жесткости и достаточной теплостойкости, наполненные полиэфируретаны отличаются хорошей гидролитической и микробостойкостью, а также сравнительно низкой стоимостью. Замена части стекловолокна в полиэфирных ПКМ на более легкие наполнители позволяет получать облегченные композиты. Таким путем одна из американских фирм организовала производство материала MFS-110 с плотностью 1,10 кг/м3, который нашел применение в автомобиле марки «Форд» модели 1982 г.: из него изготавливают корпуса для задних фар. Корпус выполнен как одна деталь, масса которой вследствие замены металла на ПКМ снижена с 6,8 до 4,5 кг. Особенно широко стеклопластики используются в производстве спортивных и гоночных автомобилей. Так, английская компания «Рилайант Мотор» наладила выпуск корпусов небольших трех- и четырехколесных автомобилей, фургонов и спортивных седанов из полиэфирных стеклопластиков. Применение этих материалов обеспечивает высокие эксплуатационные показатели и значительно упрощает процесс производства корпусов.
Другой пример — спортивный автомобиль с корпусом из стеклопластика американской фирмы TVR. Он успешно прошел испытания на столкновение с барьером без разрушения салона для пассажиров. Модифицированием полиэфирных стеклопластиков, используемых в этой машине, удалось придать им, помимо высоких прочностных свойств, устойчивость к горению. Цельнопластиковые кузова автомобилей пока еще не получили широкого распространения. На пути такого применения стеклопластиков стоит ряд трудностей, в том числе проблемы механизации сборки, сокращения времени отверждения связующего, устранения дефектов на наружной поверхности (включений пузырьков воздуха, коробления в виде продольных волн) и т.д. Со временем эти проблемы решаются. Процесс изготовления автомобильных деталей из стеклопластика пока сравнительно дорог. Соотношение между стоимостью процесса и стоимостью материала в настоящее время составляет около 5 : 3. Созданные недавно машины для инжекционного формования, которые за час производят по 40—50 крупногабаритных конструкций из стеклопластика, пока еще малодоступны. Более распространенным является метод ручной выкладки. Для изготовления деталей из стеклопластиков по этому методу разработаны специальные полиэфирные связующие, обладающие тиксотропными свойствами, которые препятствуют их стеканию с вертикальных частей конструкции. Полученные таким образом стеклопластики в виде отдельных панелей используются в производстве комфортабельных автобусов, обеспечивая высокие эксплуатационные качества элементов конструкции и легкость их замены при повреждении. Другая область применения таких ПКМ — оборудование корпусов пожарных машин и противопожарных устройств.