Разнообразие современных строительных и конструкционных материалов позволяет решить ряд технологических и строительных задач, облегчая удельный вес материалов и конструкций, при этом не уменьшая их надежности. Исключительная роль при этом отводится современным полимерным матрицам, на основе которых создаются композиционные материалы (КМ/ композиты).
Композитами называют сложносоставной монолитный материал (матрица + каркас), сформированный из разнородных компонентов с выраженной границей раздела компонентов.
Чаще всего в изделиях, подвергающихся высоким нагрузкам до последнего времени использовались композиты на базе термореактивных связующих (отверждение смол с образованием твердых или эластичных полимеров). В последнее время активно развивается производство КМ также и на основе термопластичных матриц.
Композиты формируются из двух фаз:
- отдельные волокна (наполнитель; арматура);
- монолит (связующее, матрица) – материал в пространстве между арматурой.
Каркас суммирует базовые внешние нагрузки, определяя ключевые прочностные характеристики композита. Матрица объединяет отдельные элементы каркаса, суммируя все взаимодействия (за счет собственной ригидности и сцепления фаз матрица – каркас). От свойств матрицы зависят технологические характеристики композита (показатель формообразования и технологические режимы эксплуатации), в меньшей степени влияя на прочностные свойства.
Термин "каркас" весьма условен и под ним подразумевают не только прочные материалы, но и газовые экструсомы в объеме матрицы, что гарантирует тепло- и звукоизоляционные свойства композита.
Композитами не являются растворы и смеси, т.к. не имеют границ раздела фаз и не являются монолитом. Классифицируются КМ в зависимости от базовой структуры и природы материалов, а материаловедческое дифференцирование базируется на природе матрицы и наполнителя:
Матрица | Арматура | Тип КМ | |||
---|---|---|---|---|---|
минералы | органика | металлы | керамика | ||
полимерная | ПР | ПО | ПМ | ПК | ПКМ |
металлическая | МР | МО | ММ | МК | МКМ |
керамическая | КР | КО | КМ | КК | ККМ |
другие материалы | ДР | - | - | - | - |
Композиты по классам подразделяются по типу матрицы:
- Полимерные (ПКМ);
- Металлические (МКМ);
- Керамические (ККМ).
В технике наиболее популярны ПКМ на полимерных смолах. Аббревиатурой ПР обозначают полимерную матрицу с минеральной арматурой (асбест, базальт, графит, стекло). Класс ПО охватывает полимерные композиты + органический наполнители, каркасом при этом выступают арамиды (ароматические полиамиды). Кроме того, при производстве композитов, не используемых в качестве конструкционных, каркасом может стать бумага, чешуйки из разного рода органики, древесная стружка (ДСП), нить из хлопка (ДВП) и др.
Класс ПМ состоит из полимерной матрицы с металлической арматурой (чаще всего волокон бора, реже – других (Al) металлов). Представители класса КМ на полимерной матрице называют по типу каркаса: органопласт, углепласт, боропласт, стеклопласт и т.п.
Другой род малотоннажных композитов – на металлической матрице (на базе алюминия и магния; сталей и никелевых сплавов). Наиболее востребованы в настоящее время композиты из алюминиевой матрицы с угольными волокнами (МР), а вот с органическим наполнителем (группа МО) материалов не производят. Род ММ композитов (металл + металл) представлен бороалюминием (алюминиевая матрицей + борное волокно). Род композитов МК (с керамическим наполнителем) почти не применяется в промышленности.
Еще один класс КМ – на основе керамической матрицы. Керметы – класс композитов с керамической матрицей и металлическим порошком в качестве каркаса. Композиционные материалы классов КР, КО, КК в настоящее время находятся на исследовательской стадии.
Композиты с матрицей и наполнителем, которые не входят во все описанные классы и роды (не полимеры, не металлы, не керамика) называются индивидуально: УУКМ (углерод-углеродная), при этом каркас состоит из прочных углеродных нитей и/или стержней, в отличие от более хрупкой углеродной матрицы.
Классификация композитных материалов по конструкционному признаку
Композиты с дискретной арматурой (наполненные пластмассы) подразделяются на две подгруппы: газонаполненные и с каркасом из твердых частиц (чешуйки, микросферы, рубленые волокна, порошки).
Успешно себя зарекомендовали пустотелые стеклянные микросферы (Ø = 0,05 - 0,2 мм).
Композиты с экструсомами в качестве арматуры (пено-) называют по материалу матрицы: пенорезины, пенопласты, пенокерамика, пенометаллы. В случае объединения пузырьков в агломераты, в названии композита появляется приставка "поро" (порокерамика).
Композиты с волокнистым каркасом могут быть однонаправленными; неткаными; слоистыми ткаными; волокнистыми объемными. Однонаправленный каркас может состоять из:
- первичных нитей;
- скрученных нитей;
- прядей комплексного ровинга;
- вытянутых плоских поверхностей из соединенных в поперечном направлении лент-нитей;
- круглых в сечении жгутов из переплетенных нитей.
Композиты из матрицы с тканевыми слоями каркаса отличается типом плетения и толщиной нитей армирующего наполнителя. Отдельным вариантом композитов являются материалы с архитектурными решениями построения объемного каркаса из переплетенных стержней или нитей (из 3÷11 штук). Существуют композиты с хаотическим каркасом из склеенного/ спутанного/ прошитого ворсового нетканого материала (штапельных волокон).
Композиты с листовой арматурой (СИАЛ и АЛОР) представляют собой пропитанную связующим органо- или стеклоткань, перемежающуюся тонкими листами металла, послойно соединенных между собой. Аббревиатура сформирована составом материала (кремний Si + алюминий; алюминий + органопласт), СИАЛ является композитом из алюминиевых листов (толщиной 0,25 - 0,6 мм), перемежающихся слоями стеклопластика толщиной 0,2 - 0,4 мм. Первый АЛОР состоял из перемежающихся листов алюминиевого сплава толщиной 0,1 - 0,3 мм с каркасом из арамидных волокон Kevlar-49. Композиты из полимерных смол, перемежающихся бумажными слоями, называются гетинаксами. Тонкие листы древесного шпона, уложенные разнонаправленно и скрепленные связующим, называются фанерой.
Технология изготовления продукции из композитов задается арматурой и типом ее укладки:
- дисперсионно-наполненные композиты прессуют (литьевые машины, пресс-камеры);
- волокнистые композиты наносят на формирующие оправки;
- листовые композиты – штампуют, режут и др.
Для изготовления летательных аппаратов чаще всего применяют композиционные материалы на основе полимеров с тканым каркасом или другими типами однонаправленных волокон. При этом монолит собирается из нескольких видов полимерных смол с добавками.
Полимерные матрицы делятся на:
- термопластичные (без изменений переходящие из вязкотекучего в твердое состояние и обратно);
- термореактивные (безвозвратно отвердевающих при нагреве), которые характеризуются высокой механической прочностью и теплостойкостью.
Наиболее популярные термореактивные смолы:
- эпоксидные;
- фенолоформальдегидные;
- полиамидные;
- полиэфирные;
- кремнийорганические.
По релевантности на эпоксидные смолы приходится ≈80%, на фенолформальдегидные ≈10%. На все остальные приходятся оставшиеся 10%.
Эпоксидные смолы
Связующее ЛМИ-6 – отличный герметик, обладает отменной адгезией, но не выдерживает высоких температур (рабочий диапазон ограничен 90±5°С) и имеет следующий состав:
- эпоксидная смола ЭД-20 -100 весовых частей (в.ч.),
- триэтаноламин (отвердитель) – 11 в.ч.,
- тиокол НВ (жидкий) – 23 в.ч.,
- толуол – 90 в.ч.,
- спирт-ректификат – 90 в.ч.
Связующее ЭФБ-3:
- Эпоксидная смола ЭД-20 – 67 в.ч.,
- Бакелитовый лак ЛБС-1 – 60 в.ч.,
- Клей БФ-4 – 3 в.ч.,
- Спирт (спиртоацетоновая смесь) – до требуемой вязкости.
Связующее «ЭР-130»:
- Эпоксидная смола ЭД-20 –34,6 в.ч.,
- Бакелитовый лак ЛБС-1 – 30 в.ч.,
- Дициандиамид – 1 в.ч.,
- Спиртотолуоловая смесь (1:1) – 35 в.ч.
Связующие ЭФБ-3 и ЭР-130 характеризуются хорошей теплостойкостью и могут длительно работать при 155±5°С.
Связующему ЭДТ-10 присущи отличные прочностные характеристики, и состоит оно из:
- Эпоксидной смолы ЭД-16-100 в.ч.,
- Эпоксидной смолы ДЭГ-1 – 10 в.ч.,
- Триэтаноламинотитаната – 1 в.ч.
Все эти марки эпоксидных связующих могут с высокой степенью надежности применяться для производства несущих элементов конструкций.
Стеклопластики на базе полиэфирных смол недороги и технологичны; отвердевают при комнатной температуре; характеризуются отличной термостабильностью (≤200°С) и высокой механической прочностью (δB ~ 300 МПа). Минусом стеклопластиков является выделение токсичных летучих продуктов, в т.ч. паров стирола, которые негативно влияют на структуру материала. Более предпочтительны поэтому связующие на основе МА-3, не выделяющей летучие пары.
Наиболее термоустойчивыми композитами, безусловно, является кремнийорганические стеклопластики, компаундированные пропитками А-5, Ц-5, ВН-30, В-58. Данные композиты характеризуются невысокой прочностью, плохими герметичностью и адгезией к каркасу из стекла, но отличной теплостойкостью (400÷500°С – длительно, 2000÷2500°С – краткосрочно). По этой причине кремнийорганические стеклопластики могут использоваться для теплозащиты, и для изготовления деталей, не подвергающихся значительным сосредоточенным нагрузкам.
Свойства | Типы связующего | ||||
---|---|---|---|---|---|
эпоксидные | фенольные | полиамидные | полиэфирные | кремнийорганические | |
Модуль упругости при изгибе, ГПа Прочность, МПа: при растяжении при сжатии при изгибе Твердость по Бринелю, НВ Ударная вязкость, кДж/м2 Теплостойкость по Мартенсу, 0С |
2,5...3,3 40...110 130...150 100...120 90...340 11...20 127...160 | 1,4...4,3 40...70 100...120 70...110 2,5...10 140...180 | 3.2...5,0 50...140 60...320- 180...280- 247...327 | 1,9...3,8 40...80 80...140 30...110 100...250 3...11 45...72 | 4,2...4,5 40...70 60...100-- 2,5...3,5 247...277 |