Конструкционные и специальные свойства полимерных волокнистых композитов

30.06.2015

Полимерные волокнистые композиты получили широкое распространение практически во всех отраслях промышленности благодаря исключительному сочетанию конструкционных и специальных свойств. Сравнительная оценка конструкционных свойств волокнистых композитов с традиционными металлическими материалами конструкционного назначения приведена в табл. 5.1.
По основным показателям — плотности, модулю упругости, кратковременной и длительной прочности при растяжении, ползучести, усталостной прочности, демпфирующей способности и коррозионной стойкости — полимерные композиты в диапазоне температур от 213 до 473 К превосходят алюминиевые сплавы, а в некоторых случаях — титановые сплавы и стали. По ударной вязкости, прочности и жесткости при межслойном сдвиге полимерные композиционные материалы уступают металлическим сплавам. Однако путем создания гетероролокнистых и гетероматричных систем эти характеристики материала в конструкции могут быть значительно повышены.
Конструкционные и специальные свойства полимерных волокнистых композитов

Композиты имеют иной механизм усталостного разрушения при воздействии циклических нагрузок, чем металлические сплавы, и обладают более высоким сопротивлением усталости, чем традиционные материалы. Если предел выносливости металлов составляет 0,2— 0,3 от кратковременной прочности, то у высокомодульных композитов эта величина достигает 0,5—0,7. Значительно меньшая, чем у металлов, чувствительность композитов к концентрациям напряжений и низкая скорость распространения в них трещин обеспечивают повышенную долговечность конструкций из этих материалов.
По параметрам вибропрочности σNθ и виброжесткости Eθ полимерные композиты с учетом анизотропии в 2—4 раза превосходят металлы, причем в условиях воздействия повышенных температур это преимущество выражено более ярко благодаря значительному росту демпфирующей способности материала.
У деталей из высокомодульных полимерных композитов спектр собственных частот колебания гораздо выше, чем у деталей из металла и стекловолокнита. Если для алюминиевых, титановых сплавов и сталей спектры собственных частот колебания близки к резонансным, и отстройка от резонансного режима требует изменения геометрических размеров деталей, то для высокомодульных полимерных композиционных материалов это достигается только изменением ориентации волокон в отдельных слоях или соотношения компонентов.
Применение композитов, в частности карбоволокнитов, характерной особенностью которых является низкий коэффициент линейного термического расширения, позволяет уменьшить термонапряженность конструкций. Сопоставление параметра Ea в интервале температур 293—473 К для различных конструкционных материалов показывает, что при прочих равных условиях контактные термические напряжения, возникающие в деталях из карбоволокнитов и сопряженных с ними деталях, в 10—20 раз меньше, чем в деталях из. других материалов. По конструктивному параметру D= σ/(kγω2), связывающему геометрические размеры конструкции с физико-механическими свойствами материала и скоростью вращения ротора, полимерные композиты превосходят металлические сплавы в 2—2,5 раза. Следовательно, размеры вращающихся деталей, находящихся под действием центробежных сил (например, диаметр маховика— аккумулятора энергии, хорда пера или средний радиус лопатки компрессора, вентилятора газотурбинного двигателя или лопасти вертолета), могут быть при одинаковых скоростях вращения увеличены почти в 2 раза при изготовлении их из полимерных композитов, что является необходимым условием для создания двигателей с большей тягой и маховиков с большей энергоемкостью.
Композиты, наполненные стеклянными, органическими и керамическими волокнами на основе оксидов металлов, обладают прекрасными электроизоляционными свойствами, обусловленными низкой диэлектрической проницаемостью и высоким удельным электрическим сопротивлением материала волокон. Ниже приведены электрические радиотехнические свойства полимерных композитов, армированных различными волокнами:
Конструкционные и специальные свойства полимерных волокнистых композитов

Поскольку электроизоляционные материалы эксплуатируются преимущественно при температурах выше 363 К, для их изготовления применяются в основном термореактивные термостойкие смолы: фенолоформальдегидные, эпоксидные (класс нагревостойкости В до 403 К); кремнийорганические и полиимидные (класс нагревостойкости H до 453 К). От типа связующего зависят такие характеристики, как дуго- и искростойкость, изменение электрических свойств при нагревании. На рис. 5.1 и 5.2 показана зависимость электрических свойств стеклотекстолитов от температуры. При длительном воздействии повышенной температуры на электроизоляционные полимерные композиты их электроизоляционные свойства ухудшаются: повышаются
Конструкционные и специальные свойства полимерных волокнистых композитов

диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь, понижается пробивное напряжение. Изменение электрических свойств в этих условиях связано с увеличением подвижности сегментов молекул полимеров и термоокислительной деструкцией связующих, сопровождающейся выделением низкомолекулярных продуктов, что ухудшает электроизоляционные свойства материалов.
По мере увеличения длительности температурного воздействия ухудшаются электротехнические характеристики композитов при увлажнении вследствие повышения их чувствительности к колебаниям влажности и роста влагопоглощения.
Конструкционные и специальные свойства полимерных волокнистых композитов

Минимальное значение диэлектрической проницаемости и фактора потерь при прохождении через композит высокочастотных электромагнитных колебаний, а также стабильность этих характеристик в эксплуатационных условиях — этим радиотехническим требованиям соответствуют полимерные композиты, армированные кварцевыми, стеклянными и органическими волокнами (табл. 5.2). Диэлектрическая проницаемость и фактор потерь композитов могут меняться в довольно широких пределах в зависимости от природы волокон, связующего и пористости композита и рассчитываются по правилу аддитивности. Для стекловолокнитов характерно уменьшение диэлектрических потерь с увеличением частоты электромагнитных колебаний. При нагревании композитов их радиотехнические характеристики ухудшаются (рис. 5.3).
Конструкционные и специальные свойства полимерных волокнистых композитов

Электропроводящие свойства композитов определяются характеристиками волокон. Используя волокна с различной электропроводностью, можно получать композиты с электроизоляционными, полупроводниковыми или электропроводящими свойствами.
Уникальной особенностью углеродных волокон является возможность регулирования их электропроводности в широких пределах от полупроводников до материалов с почти металлической проводимостью. Поэтому композиты на их основе (карботекстолиты и карбогетинаксы) широко используются для изготовления различного рода нагревателей. Следует отметить, что волокнистая структура композитов обусловливает высокую анизотропию электропроводности карбоволокнитов. Удельное объемное сопротивление однонаправленного композита на основе углеродного волокна составляет вдоль волокон 2,6, а поперек — 6,8 МОм*см. Полимерные композиты, в состав которых входят электропроводящие волокна, не электризуются, поэтому углеродные волокна вводят в состав некоторых композитов, а также в термопласты, применяемые для изготовления трубопроводов и вентиляционных систем. При нагревании удельное объемное электрическое сопротивление полимерных композитов понижается (рис. 5.4), одновременно уменьшается и степень анизотропии электрических свойств в плоскости армирования.
Теплофизические свойства полимерных волокнистых композитов изменяются в широком интервале значений в зависимости от состава (табл. 5.2). Как механические и электрические, так и теплофизические характеристики композитов (α, λ, а) существенно анизотропны, особенно у карбо- и бороволокнитов.
Конструкционные и специальные свойства полимерных волокнистых композитов

Способность композиционных материалов противостоять действию высокотемпературных тепловых потоков, основанная на абляции, обусловливает их использование для защиты деталей ракет и космических кораблей и деталей двигателей РДТТ. Теплозащитные свойства материалов обусловлены уменьшением теплового потока вследствие поглощения энергии при сложных физико-химических процессах (сублимация, плавление, механическое разрушение, деструкция и т. п.), протекающих на поверхности материала, подверженного воздействию теплового потока. Теплозащитные свойства композитов, оцениваемые по величине линейного уноса Δδ при определенной длительности воздействия теплового потока, улучшаются по мере возрастания плотности композитов, при ориентации волокон перпендикулярно тепловому потоку, уменьшении содержания связующего и с увеличением, температуры плавления (сублимации) армирующих волокон.
Конструкционные и специальные свойства полимерных волокнистых композитов

К стойким к абляции материалам относятся стекло-и карбоволокниты (рис. 5.5). Последние обладают наибольшей стойкостью к воздействию высокотемпературных тепловых потоков. Для снижения высокой теплопроводности карбоволокнитов в их состав вводят помимо углеродных другие жаростойкие волокна с меньшей теплопроводностью: волокна из диоксида циркония, карбида кремния и других соединений.
Для карбо- и органоволокнитов характерны повышенные антифрикционные характеристики. При введении в состав полимеров углеродных волокон повышается их устойчивость к истиранию: поливинилхлорида — в 3,8 раза, политетрафторэтилена — в 3 раза, полипропилена — в 2,5 раза, полиамида — в 1,2 раза.
Карбоволокниты характеризуются стабильным значением коэффициента трения (рис. 5.6), величина которого зависит от ориентации волокна относительно поверхности трения. Наименьший коэффициент трения имеют карбоволокниты, в которых армирующие волокна ориентированы по поверхности трения в направлении действия силы трения.
Хорошими антифрикционными свойствами обладают полимерные композиции, армированные органическими волокнами из материалов (например, тефлона), которые применяются в виде покрытий, наносимых на поверхности трения, скольжения, работающие без смазки. Коэффициент трения таких покрытий составляет 0,03—0,08.
Некоторые стекловолокнита обладают прозрачностью: светопроницаемость панелей толщиной около 1,5 мм достигает 80%, а светорассеяние 35—50%. Прозрачность стекловолокнитов определяется близостью значений коэффициентов преломления связующего и стекловолокна (для бесщелочных стекол коэффициент преломления близок к 1,55). Для достижения наибольшей светопрозрачности связующее и стекло должны быть бесцветными. При плохой смачиваемости стеклянного волокна смолой светопроницаемость ухудшается, а светорассеяние увеличивается; аппретирование стеклонаполнителя улучшает светопрозрачность. Прозрачность стекловолокнитов повышается, если процесс совмещения со связующим производится под вакуумом или под давлением. Микротрещины в композите, вызванные термическими напряжениями, усталостью или деструкцией связующего под действием ультрафиолетовых лучей, являются причиной увеличения светорассеяния и ухудшения светопроницаемости.