Композиционные материалы (композиты) (стр. 3 из 4)

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненные углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте, висскеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200 °С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-2л получают на эпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300 °С.

Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения

и Е почти не изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие электрические свойства:

= 0,0024÷0,0034 Ом·см (вдоль волокон); ε = 10 и tg

= 0,001 (при частоте тока 10

Гц).

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал.

3.5. Карбоволокниты с углеродной матриццей.

Коксованные материалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. При температуре 800-1500 °С образуются карбонизированные, при 2500-3000 °С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме (температуре 1100 °С и остаточном давлении 2660 Па) метан разлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениям прочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200 °С, на воздухе окисляется при 450 °С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35-0,45), а износ мал (0,7-1 мкм на тормажение).

Физико-механические свойства карбоволокнитов приведены в следующих таблицах.

Физико-механические свойства однонаправленных композиционных материалов с полимерной матрицей
Материал	Предел прочности, МПа				Модуль упругости, ГПа
Материал	При растяжении	При сжатии	При изгибе	При сдвиге	При растяжении	При изгибе	При сдвиге
Карбоволокниты:
КМУ-1л	650	350	800	25	120	100	2,8
КМУ-1у	1020	400	1100	30	180	145	3,50
КМУ-1в	1000	540	1200	45	180	160	5,35
КМУ-2в	380	-	-	-	81	-	-
Бороволокниты:
КМВ-1м	1300	1160	1750	60	270	250	9,8
КМВ-1к	900	920	1250	48	214	223	7,0
КМВ-2к	1250	1250	1550	60	260	215	6,8
КМВ-3к	1300	1500	1450	75	260	238	7,2
Карбоволокнит с углеродной матрицей КУП-ВМ	200	260	640	42	160	165	-
Органоволокниты:
С эластичным волокном	100-190	75	100-180	-	2,5-8,0	-	-
С жестким волокном	650-700	180-200	400-450	-	35	-	-

Физико-механические свойства однонаправленных композиционных материалов с полимерной матрицей
Материал	Удель-Ная жест-кость Е/ρ, 10³ км	Относи-тельное удли-нение при разрыве, %	Удель-ная проч-ность σ/ρ, км	Удар-ная вяз-кость, кДж/м²	Сопро-тивление уста-лости на базе 10 циклов, МПа	Дли-тельная проч-нось при изгибе за 1000 ч, МПа	Плот-ность, т/м³
Карбоволокниты:
КМУ-1л	8,6	0,5	46	50	300	480	1,4
КМУ-1у	12,2	0,6	70	44	500	880	1,47
КМУ-1в	11,5	0,6	65	84	350	900	1,55
КМУ-2в	6,2	0,4	30	-	-	-	1,3
Бороволокниты:
КМВ-1м	-	0,3-0,5	-	90	400	1370	2,1
КМВ-1к	10,7	0,3-0,4	43	78	350	1220	2,0
КМВ-2к	13,0	0,3-0,4	50	110	400	1200	2,0
КМВ-3к	12,5	0,3-0,4	65	110	420	1300	2,0
Карбоволокнит с углеродной матрицей КУП-ВМ	-	-	-	12	240	-	1.35
Органоволокниты:
С эластичным волокном	0,22-0,6	10-20	8-15	500-600	-	-	1,15-1,3
С жестким волокном	2,7	2-5	50	-	-	-	1.2-1,4

3.6. Бороволокниты.

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала.

В качестве матриц для получения боровлокнитов используют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температуре не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью: λ = 45 кДж/(м∙К); α = 4∙10

(вдоль волокон);

= 1,94∙10

Ом∙см; ε = 12,6÷20,5 (при частоте тока 10

Гц); tg δ = 0,02÷0,051 (при частоте тока 10

Гц). Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2-2,5 раза больше, чем для карбоволокнитов.

Физико-механические свойства бороволокнитов приведены предыдущей таблицы.

3.7. Органоволокниты.

Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.

К органоволокнитах значения модуля упругости и температурных коэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористось не превышает 1-3 % (в других материалах 10-20 %). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая (400-700 кДж/м²). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).