Материал: Композиционные и порошковые материалы. учебное пособие. Лукин А.А., Лукина З.С

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 торможение).

Полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и др.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

3.4. 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, придающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала.

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

Влияние на механические свойства бороволокнита содержания волокна приведено на рис.10, а влияние различных матриц – на рис.11.

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

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т.д.).

3.5. 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.

В 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. Пористость 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).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100–150°С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон – при 200–300°С.

В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиоиромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и др.

4. Перспективы применения композитных материалов

Современный уровень развития техники вызывает необходимость создания новых материалов, обладающих особыми, не присущими природным материалам свойствами. К таким новым материалам относят композитные материалы.

Новые композитные материалы на основе реактопластов, армированных волокнами, обладают свойствами, превышающими по некоторым показателям свойства традиционно применяемых материалов (стали, алюминиевых и титановых сплавов, древесины) причем, чем выше удельные характеристики композита, тем легче или прочнее конструкция.

Уникальность композитов также состоит в том, что можно заранее спроектировать материал таким образом, чтобы придать изделию из него свойства, необходимые для конкретной области применения.

Благодаря своим свойствам, они могут применятся практически во всех отраслях промышленности. Например, для современной ракетно-космической техники характерно интенсивное использование новых материалов, технологий и перспективных конструкций на их основе. Развитие коммерческой сферы применения новых технологий и техники в космосе и мировая конкуренция за получение заказов на доставку полезных грузов на орбиту Земли стимулируют снижение стоимости запуска груза и заставляют разработчиков ракетно-космической техники активно применять композиты для оптимизации энергомассовых характеристик ракет-носителей, увеличению объема полезного груза. Из композитов изготавливают: оболочки головных обтекателей, обтекатели ступеней, приборные рамы и воздуховоды ракет-носителей; оболочки, трубы, силовые профили для космических телескопов и спутников; тепловые панели систем терморегулирования космических аппаратов; теплозащитные покрытия для космических аппаратов и т.д.

Мировое авиастроение в настоящее время активно осуществляет переход от металлов к композитным материалам. Основные авиастроительные компании (Airbus и Boeing) заменяют алюминий и другие материалы при производстве деталей самолетов (фюзеляжей, крыльев, закрылок, килей, стабилизаторов, люков и дверей, окантовок иллюминаторов, элементов интерьера и т.д.) на высокоэффективные композиты низкой плотности для снижения массы своих самолетов. Это приводит к сокращению эксплуатационных расходов для авиаперевозчиков и создает конкурентные преимущества для производителей подобных машин. Экономия на эксплуатационных расходах образуется за счет более низких затрат на топливо и меньшей потребности в материально-техническом обслуживании, необходимость которого возникает при использовании металлов из-за их усталости и коррозии.

Композиты по-мимо высоких прочностных арактеристик, обладают высокой коррозионной стойкостью и дрофобностью, что обуславливает их применение в судостроение. Применение композитов также позволяет снизить вес конструкций, в результате чего уменьшается расход топлива и увеличивается маневренность судов. При создании изделий, редназначенных для спасения людей при пожаре на воде, применяют композиты с высокой тепло- и огнестойкостью.

Композиты широко применяются при производстве еталей и узлов в автомобилестроении и сельскохозяйственном машиностроении. Основные достоинства композитов для данных отраслей промышленности: коррозионная стойкость, повышенная стойкость к повреждениям, звукопоглощение, малый вес, экономичность. Благодаря использованию легких и облегченных композитов снижается общий вес автомобильной и сельскохозяйственной техники, а значит, экономится топливо при его эксплуатации.

Кроме того, насыщение современной техники ектроникой означает увеличение числа корпусов, готавливаемых из широкого ассортимента прочных и теплостойких композитов. Мало- и среднегабаритные детали и изделия для автомобильной и сельскохозяйственной техники из композитов производятся крупными сериями.

Современные композиты применяются при производстве подвижного железнодорожного состава, как пассажирского, так и грузового, что обеспечивает его облегчение, дешевление, долговечность и меньшие затраты на эксплуатацию. Весовые показатели особенно важны для высокоскоростного движения на существующих линиях.

Снижение массы является определяющим критерием для обеспечения оптимального расположения центра тяжести кузовов вагонов, что очень важно для наклона кузова при движении в кривых с высокой скоростью. Оптимизация массовых показателей обеспечивается использованием многослойных конструкций из композитов в элементах оснащения вагонов. Очень актуально применение композитов при производстве грузового подвижного состава, предназначенного для транспортировки агрессивных сред (вагоны и цистерны).

В гражданском строительстве композиты применяются в качестве строительных материалов различного назначения, готовых изделий для благоустройства прилегающих к зданиям и сооружениям территорий, а также в жилищно-коммунальной сфере.

Применение композитов обеспечивает cокращение общих расходов на строительство и последующую эксплуатацию, повышение производительности, cнижение веса конструкций и изделий, устойчивость конструкций к коррозии и их долговечность, а также решает проблему изношенности трубопроводных систем. Для примера из композитов изготавливают: композитные сэндвич-панели, соединительные элементы для трехслойных ограждающих конструкций, арматуру для армирования бетона, светопрозрачную кровлю, профили для окон, внешние трубопроводные системы для водоснабжения и канализации, детские площадки, бассейны, фонтаны, скамейки и т.д.

В промышленном строительстве композиты применяются при строительстве систем вентиляции и дымоотведения, водоснабжения, канализации и отвода сточных вод, шлакоудаления. Активно применяются композиты на предприятиях горно-обогатительной, химической и нефтехимической, целлюлозно-бумажной промышленности, цветной металлургии (трубопроводы и емкости для транспортировки и хранения агрессивных жидкостей химического и нефтехимического производства, масло- и бензопроводы, автоклавы, скрубберы, гальванические ванны и т.д.).

Основный принцип на всех дорогах мира - принцип обеспечения безопасности движения. Установка пешеходных мостов через автомобильные и железные дороги, а также безопасных столбов освещения, информационных щитов и остановок общественного транспорта обеспечивает соблюдение этого принципа. Применение современных композитов позволяет не только быстро произвести монтаж подобных конструкций, не прерывая основного движения (что очень актуально, особенно в больших городах), но и обеспечить необходимый уровень безопасности.

Одним из уникальных свойств композита можно считать способность перераспределять энергию удара, в результате чего, композитный элемент деформируется, гася приложенную силу удара. Особенно актуально в этой связи применение стеклокомпозитных опор освещения. Немало летальных исходов происходит именно из-за столкновения транспортных средств с бетонными столбами, не способными к упругой деформации. Стеклокомпозитный столб перераспределяет энергию удара, деформируясь и смягчая удар при столкновении.

В настоящее время при прокладке магистральных трубопроводов нефти и газа и решении других различных задач (в том числе стоящих перед подразделениями

Министерства обороны РФ) начинают активно применяться мобильные дорожные покрытия из стеклокомпозита.

Кроме того, композиты применяются при прокладке собственно железнодорожных путей, а также создании защитных стен для укрепления железнодорожного полотна в сложных горно-геологических условиях, что повышает безопасность движения железнодорожного транспорта.

Благодаря возможности изготавливать крупногабаритные высокопрочные изделия, стойкие к изменяющимся погодным условиям и осадкам, композитные материалы активно применяются при производстве ветроэнергетических установок.

Особенно это распространено в Европе, где сказывается недостаток природных ресурсов.

Но все природные ресурсы исчерпаемы, а значит подобный переход актуален и для России. В настоящее время достаточно перспективна такая отрасль альтернативной энергетики, как ветроэнергетика.

При разработке инвентаря для спорта и активного отдыха во всем мире широко используются высокие технологии и новейшие материалы (в первую очередь композиты).

Сегодня индустрия спорта - это индустрия больших побед не только спортсменов, но и проектировщиков и производителей спортинвентаря. Без современных материалов не были бы достигнуты рекордные скорости и высоты. Кроме того, все более высокими становятся требования, предъявляемые к качеству спортивной продукции, запасу прочности и надежности, которые и обеспечивают современные композиты. И это вполне оправданно, поскольку из-за недостаточной надежности спортивных товаров имеют место случаи травматизма и гибели спортсменов.

В Российской Федерации уже сложились все базовые предпосылки для формирования самостоятельной композитной отрасли, ведь вне зависимости от того где применяются изделия из композитов, основные технологические приемы их переработки остаются одними и теми же. Однако до сих пор эта трасль пребывает в зачаточном состоянии.