Характеристика ПМ общетехнического, инженерного и констркуционного назначения

1. Лекции по дисциплине Материаловедение и технологии конструкционных материалов 2

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждения
высшего образования
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Институт №11 «Материаловедения и технологии материалов»
Кафедра «Технологии композиционных материалов конструкций и микросистем»
Лекции по дисциплине
Материаловедение и
технологии конструкционных
материалов 2
К.т.н., доц.каф.«ТКМКиМ»
Червяков А.А.
Москва, МАИ, 2018 г

2. Подраздел 2.3 Характеристика ПМ общетехнического, инженерного и констркуционного назначения

Раздел 2
Полимерные материалы (ПМ)
Подраздел 2.3
Характеристика ПМ
общетехнического, инженерного
и констркуционного назначения

3.

Классификации ПМ по
механическим свойствам
Материалы
общетехнического
назначения
Материалы инженернотехнического
назначения
σр до 70 МПа
σр до 130 МПа
σр до 150 МПа
Траб до 100 С
Траб до 160 С
Траб до 220 С
при внешней нагрузки Р
при Р до 20 МПа
при Р до 40 МПа
• ненаполненные ПИ,
до 10-12 МПа
• ненаполненные ТП
(алиф.ПА, ПК, ПФО, ПЭТ,
ПЭИ,ПАИ, ПФС, ПЭК;
• наполненные
ПСу, фторопласт);
(ПЭ,ПП, ПС, ПВХ );
• наполненные алиф.ПА, ПК, имидопласты (на основе
• наполненные аминопласты
эпокси и фенолопласты,
матриц БМИ –
на основе
наполненные
бисмалеинимидных)
аминоальдегидных матриц,
порошкообразным
эфиропласты, наполненный
наполнителем
полипропилен
Материалы
• армированные пластики на основе волокнистых
конструкционного
наполнителей и сетчатых, и некоторых линейных матриц
назначения
• ненаполненные ТП
σр выше 200 МПа (200-1500 МПа)
Траб от 200 С до 300 С, любые нагрузки
3

4. Компоненты ПМ

Основными компонентами ПМ являются матрица и наполнитель
Функции матрицы:
- фиксировать в пространстве частички
-
наполнителя;
удерживать форму изделия;
передавать и перераспределять внешнюю
нагрузку на частицы наполнителя;
обеспечивать технологические свойства;
защищать частицы наполнителя от воздействия
внешней среды
Функции наполнителя:
- обеспечивать заданные эксплуатационные свойства;
-
определяет технологические приёмы изготовления изделия.
Граница раздела фаз (межфазный слой) – определяет совместную работу матрицы
и наполнителя
4

5. Компоненты ПМ

Основными компонентами ПМ являются матрица и наполнитель
Для корректировки или создания заданных эксплуатационных и технологических
свойств эти материалы, как правило содержат другие компоненты в небольшом
количестве.
Технологические добавки
пластификаторы
улучшают перерабатываемость материала за счёт
снижения вязкости и температуры текучести
смазки
снижают коэффициент внутреннего трения –
улучшение текучести
Эксплуатационные добавки
Стабилизаторы
(антиоксиданты)
эластификаторы
улучшают эластичность
матриц
красители
антистатики
антипирены
защита от старения.
предотвращают
повышают устойчивость
Повышают устойчивость накопление статического
к горению
к окислению
электричества
антирады
др. модификаторы
повышают устойчивость к
радиационному воздействию
5

6. Обеспечение механических свойств ПКМ

Свойства ПКМ (армированного пластика (АП)) ориентировочно можно оценить по
правилу аддитивности (правилу смеси):
σАП = .σВ.φВ + σМ.φМ,
.
σВ,φВ ,σМ,φМ - разрушающие напряжение волокнистого наполнителя и матрицы и их
относительное объемное содержание в изделии соответственно
VВ
VМ
В
, М
VАП
VАП
φВ + φМ =1,
.
VВ, VМ, - объём, занимаемый волокнистым наполнителем
и матрицей, соответственно, в объёме изделия VАП.
φМ = 1 – φВ
σАП = .σВ.φВ + σМ.(1 – φВ)
.
ЕАП = .ЕВ.φВ + ЕМ.(1 – φВ)
Для получения точных расчётов необходимо использовать
механику разрушений гетерогенных сред, и в частности:
- теорию упругости;
- теорию пластичности;
- теорию трещин.
6

7. Обеспечение механических свойств ПКМ

Для того чтобы материал воспринимал нагрузку, он должен быть
монолитным
Например, при неправильном подборе метода формования или режима
формования могут сохраниться поры, тогда
φВ + φМ + φП =1
.
σАП = .σВ.(1 – (φм+ φП)) + σМ.(1 – (φв+ φП))
φП =>↓ σАП
Материал монолитен, если при нагружении потеря
сплошности материала происходит из-за потери
сплошности волокна (т.е. армирующего элемента)
7

8.

Обеспечение механических
свойств ПКМ
При создании ПКМ максимально полно реализовывают свойства армирующих
элементов. Для этого используют приёмы конструирования пространственной
структуры материала с учётом вектора внешней нагрузки, соотношения
свойств матрицы и наполнителя и с учётом условия монолитности
Пространственные структуры:
однонаправленная
ортотропная
квазиизотропная
криволинейная
(цилиндрическая)
объёмноармированная
Выбор типа структуры определяется уровнем и направлением внешней нагрузки
zОртотропная структура пластика (0,90)
На прочность σАП влияют:
Соотношение слоёв
10:1
• схема армирования;
хσр|| -уразрушающее
напряжение
980
• количество
слоёв с одним
α
.
.
σАП = σ|| · cosα при растяжении
в выбранном
• соотношение
слоёв с разными α
направлении
0 ,
МПа
σ|| - разрушающее напряжение
1:1
600
(потеря
прочности 49%)
при растяжении (прочность)
параллельно
волокнам;
Армированные
пластики
с различной схемой армирования
α – угол армирования.
при α = 0 , σАП ≈ σВ. (σ||)
при α = 90 ,σσр||АП/ σ≈р||σоднонапр.
M. (σ┴)
однонаправленный
ортотропный (1:1)
1
0,62
α = 60
8
0,59

9.

Обеспечение механических
свойств ПКМ
Особенности армирующей структуры позволяют создавать материалы с
заранее заданным уровнем свойств
Т.о. обеспечение заданных механических свойств сложная задача,
при её решении учитывают
• природу компонентов материала;
• соотношение этих компонентов;
• соотношение свойств компонентов;
• условие совместной их работы (межфазное взаимодействие);
• пространственную структуру материала;
• технологию получения материала.
9

10. Основные типы матриц для АП

Линейные
Сетчатые
термопластичные
термореактивные
ПП, ПА, ПЭТ, ПК, Псу, ПЭК, ПФО, ПИ
Основные недостатки по использованию линейных матриц
• высокая молекулярная масса, высокая вязкость расплава и высокая
температура текучести (ТТ);
• как правило для обеспечения высоких рабочих температур применяются
жёсткоцепные полимеры, которые имеют высокую ТТ и плохую
растворимость;
• как правило такие полимеры плохо смачивают поверхность наполнителя;
• это означает, что совместить такую матрицу с наполнителем сложно или
невозможно.
Для совмещения
с волокнами необходимо
использовать
Преимущества
при использовании
линейных матриц
специальные сложные приёмы;
•• как
образуется
слабое
взаимодействие
низкая
приправило
формовании
материала
на межфазное
основе линейных
матриц не –
выделяются
адгезионная
прочность, низкие вещества;
свойства при сдвиге;
вредные низкомолекулярные
•• рабочие
температуры
АП ограничены
температурой стеклования
полуфабрикаты
достаточно
технологичны.
10
линейной матрицы

11. Основные типы матриц для АП

Линейные
Сетчатые
термопластичные
термореактивные
Свойства линейных матриц
Показатель
ПА
ПП
ПСу
ПФО
ПЭЭК
плотность ρ,
г/см3
1,12÷1,15
0,90
1,24÷1,25
1,06
1,30
степень
кристалличности
χ, %
50÷60
50÷75
10
40÷60
20÷40
ТС аморфной
фазы, °С
50÷60
-80÷-70
180÷190
200÷225
145÷200
210÷260
165÷180
315÷370
260÷270
340÷380
σР при
растяжении, МПа
60÷90
65÷70
55÷80
60÷84
до 300
ЕР при
растяжении, ГПа
1,5÷3,0
1,1÷1,3
2,5
3,0÷3,3
4,0÷4,5
относительное
удлинение εР, %
150÷400
200÷800
10÷20
до 50
до 100
ТПЛ кристаллич.
фазы, °С
ПА – полиамид; ПП – полипропилен; ПCу – полисульфон; ПФО – полифениленоксид; ПЭЭК - полиэфирэфиркетон

12. Основные типы матриц для АП

Линейные
Сетчатые
термопластичные
термореактивные
Начальные составы сетчатых матриц
Основные классы сетчатых матриц
эпоксидные
фенольные
эпоксифенольные
эфирные
имидные
кремнийорганические
• Сетчатые полимеры (матрицы) образуются одновременно с
формованием изделия. На стадии формования очень часто даже не
существует полимерного состояния. На этой стадии фаза - связующее;
• Для получения связующего используются так называемые начальные
составы или предполимеры;
• Для получения начального состава используют олигомеры, смеси
олигомеров, мономеры, смолы и.т.д.;
• Эти связующие называют термореактивные.
12

13. Основные типы матриц для АП

Линейные
термопластичные
Сетчатые
термореактивные
Начальные составы сетчатых матриц
Связующие – растворы смол олигомеров, мономеров или их смесей в
органических растворителях
+ Растворы высококонцентрированные, низковязкие => такие составы легко
смачивают и пропитывают наполнители;
+Легко совмещаются с волокнистыми наполнителями, обеспечивая любые φВ,
высокое адгезионное взаимодействие по границе раздела фаз, ↑ƬСДВ;
• В состав связующих входят т.н. отвердители - вещества, которые помогают
образовывать сетчатую структуру матрицы;
• Также могут входить:
– разбавители – вещества, которые используют для регулирования вязкости на
стадии формования;
– смазки – органические вещества, которые облегчают процесс течения и
припятствуют прилипанию материала к металлической оснастке;
– красители;
13
– антистатики и др.

14. Основные типы матриц для АП

Линейные
термопластичные
Сетчатые
термореактивные
Начальные составы сетчатых матриц
• ТР связующие отверждаются по 2-м механизмам;
поликонденсация
с выделением
летучих продуктов
без выделения
летучих продуктов (полиприсоединение)
полимеризация
без выделения
летучих продуктов
+ Составы ТР связующих позволяют регулировать вязкость на стадии
формования. ↓η =>↓РФ;
+ Как правило ТР составы обеспечивают низкую пористость материала в
готовом изделии => ↑мех.свойства (соблюдение условия монолитности);
+ Сетчатые матрицы обеспечивают высокие рабочие температуры (до ТС
или до ТД), не обладают ползучестью, имеют высокий модуль упругости,
жесткость материала в изделии.
недостатки
– Высокая хрупкость, низкая ударостойкость;
– При формовании возможно выделение вредных низкомолекулярных 14
веществ (растворитель, летучие)

15. Основные типы матриц для АП

Линейные
термопластичные
Сетчатые
термореактивные
Начальные составы сетчатых матриц
Эпоксидные связующие
олигомер
концевые эпоксидные группы
• Эпоксидные связующие – любые олигомеры, содержащие эпокси-группы.
• Отверждаются по реакции поликонденсации без выделения летучих
(полиприсоединение), возможны реакции отверждения по механизму
полимеризации.
• Растворы 50-80% концентрации.
• Обязательно должны использоваться отвердители, вступающие в
реакцию с эпоксигруппами и образующие узлы сетки.
• В зависимости от типа эпоксидного олигомера и отвердителя реакция
отверждения может идти в интервале температур от 20°С до 200°С.
• Реакция медленная, занимает часы – сутки.
• Чем выше ТОТВ, тем выше ТРАБ продукта. Основные типы эпоксидных
составов работоспособны до 160°С
15

16. Основные типы матриц для АП

Линейные
Сетчатые
термопластичные
термореактивные
Начальные составы сетчатых матриц
Эпоксидные связующие
Основные типы эпоксидных олигомеров
1. Диановые (отверждаются
алифатическими полиаминами, ароматическими
низкомолекулярными полиамидами);
2. Галогенсодержащие диановые;
3. Тетраэпоксиды.
• Любые эпоксидные олигомеры могут отверждаться веществами,
содержащими активный атом водорода: органические спирты,
органические кислоты, ангидриды кислот, амины.
• При отверждении эпоксидных составов образуется средней плотности
сетка химических связей, которые равномерно распределены по объему
полимера.
• Сетка практически не напряжена, межузловые цепи достаточно прочные
=> сетчатые эпоксиды обеспечивают max уровень мех.свойств в ПМ. 16

17. Основные типы матриц для АП

Линейные
термопластичные
Сетчатые
термореактивные
Начальные составы сетчатых матриц
Фенольные связующие
• Для их получения используют феноло-альдегидные олигомеры.
• Растворы 50-80% концентрации в ацетоне, спиртах, этаноле или их
смеси.
• Часто используют активные растворители (фурфурол, фуриловый спирт).
Активный растворитель остаётся в составе матрицы, встраивается в
структуру полимера.
• Отверждаются по реакции поликонденсации с выделения летучих. При
формовании требуются высокие давления.
• Для получения сетчатого полимера возможно как использование
отвердителя, так и нет.
• При отверждении образуется густосетчатая сильнонапряжённая структура
=> пониженная механика.
• Процесс отверждения очень быстрый 1-10 минут.
17
• Оптимальная ТОТВ 160-180°С

18. Основные типы матриц для АП

Линейные
термопластичные
Сетчатые
термореактивные
Начальные составы сетчатых матриц
Эпоксифенольные связующие
• Смеси эпоксидных и фенольных олигомеров.
• Сочетают положительные качества одних и других, т.е. высокая механика
эпоксидных и скорость формования фенольных.
• Лучшие свойства, если использовать т.н. эпоксидированные новалаки –
это не смесь олигомеров, а фенолоальдегидный олигомер, в структуру
которого встроены эпоксигруппы.
• Отверждение идет по двум механизмам:
– по эпоксигруппам (полиприсоединение, без выделения летучих);
– по метилольным СН2ОН- группам фенольного олигомера
(поликонденсация с выделением летучих).
• Эпоксифенольные матрицы имеют мех.свойства чуть ниже эпоксидных,
но по технологичности значительно их превосходят.
18

19. Основные типы матриц для АП

Линейные
термопластичные
Сетчатые
термореактивные
Начальные составы сетчатых матриц
http://www.e-wiki.org/ru/wiki/Отверждение
Эфирные связующие
• Смеси олигомеров на основе ненасыщенных сложных олигоэфиров:
олигомалеинаты
олигоакрилаты
винилэфирные смолы
олигоалилаты
образуют сетчатые полимеры по радикально-цепному механизму
полимеризации без выделения низкомолекулярных веществ.
Получаютизполимеризацией
сложных
эфиров
и ифталевой
или
Получают
олигомерных
сложных
эфиров,
содержащих
по концам
Олигомалеинаты
получают поликонденсаций
гликолей
ненасыщенных
изофталевой
кислот.
молекул звенья
акриловой
или метакриловой
кислот.
двухосновных
кислот
(малеиновой
и фумаровой)
в смеси с двухосновными
• ненасыщенными
кислотами.
Отверждение
проводят
в среде мономера
инициатором.
Могут превращаться
в сетчатый
полимер исбез
сомономера.
• Обладают
Сополимеризация
смеси
с мономерами,
растворяющими
низкой
заполняют
форму
при
давлении
используются
те вязкостью,
же
инициирующие
системы,
что низком
и дляолигомалеинат,
малеинатных
например
стирол, для увеличения реакционной способности.
связующих
Перед совмещением с наполнителем вводят инициатор (перекиси,
гидроперекиси их смеси).
• ТОТВ обычно соответствует температуре разложения инициатора. При Т комн
вводят ускоритель распада инициатора.
19

20. Основные типы матриц для АП

Линейные
термопластичные
Сетчатые
термореактивные
Начальные составы сетчатых матриц
Эфирные связующие
• На начальной стадии относительно длительный период ативации
процесса (инициирование), далее самоускорение и практически
мгновенно достигается вязкость эластичного или твёрдого тела – момент
возникновения пространственной структуры.
• Экзотермический эффект. Его величина оказывает влияние на кинетику
отверждения. Время гелеобразования и э.эффект зависят от типа и числа
ненасыщенных звеньев в олигомере и активности мономера.
• Для отверждения характерны значительные усадки и низкая
трещиностойкость.
• Низкие прочностные и термические свойства. Уровни упрогопрочностных
свойств на 15-20% ниже эпоксидных и эпоксифенольных матриц.

21. Основные типы матриц для АП

Линейные
термопластичные
Сетчатые
термореактивные
Начальные составы сетчатых матриц
Кремнийорганические связующие
• Связующие получают на основе кремнийобразующих олигомеров в
растворах спиртов. Представители класса элементорганических
полимеров, прежде всего полимеров с силоксановыми связями –
полисилоксанов.
–[SiR2-O-]n –
• Отверждение идёт по концевым ОН- группам по реакции
поликонденсации с выделение летучих.
• После отверждения образуется сильно напряженная низкопрочная
структура с прекрасными диэлектрическими свойствами,
радиопрозрачностью, тепло- и термостойкостью.
21

22. Основные типы матриц для АП

Линейные
Сетчатые
термопластичные
термореактивные
Начальные составы сетчатых матриц
Имидные связующие
• Связующие состоят из растворов
олигомеров (1-й тип) или смеси
имидообразующих мономеров (2-й тип).
1-й тип. Раствор олигоимидов
БМИ – бисмалеинимиды
ТОТВ = 190-250°С
PФ ≈ PФ фенолоформальдегидных
Время отверждения 20-60 мин
ТРАБ = 250-270°С
Прочность σ БМИ ≈ σ эпоксидных
Водопоглощение ВПБМИ << ВПэпоксидных
до 5%
до 15%
2-й тип. Раствор СИМ
• Раствор наносится на наполнитель,
идет синтез олигоимида по реакции
поликонденсации с выделением
летучих.
• Отверждение при формовании
пиролитической полимеризацией без
выделения летучих.
• Образуется равномерная
слабонапряженная сетка, межузловые
цепи жесткие
• σ ≈ σ эпоксифенольных
• ТРАБ > 300°С (до 500°С)
22

23. Основные типы матриц для АП

Линейные
Сетчатые
термопластичные
термореактивные
Свойства сетчатых матриц
Показатель
Эпоксидны Фенольные
Эпоксие
фенольные
Эфирные
КО
Имидные
плотность ρ, г/
см3
1,2÷1,3
1,2÷1,4
1,2÷1,4
1,1÷1,3
1,3÷1,4
1,3÷1,4
σР при
растяжении,
МПа
90÷100
40÷70
50÷90
30÷70
10-45
40÷90
ЕР при
растяжении,
ГПа
3,0÷5,5
5,0÷8,0
3÷4
2,8÷4,5
2,5
4÷5
относительное
удлинение εР,
%
1,2÷9,0
0,4÷0,5
0,5÷5,0
1,3÷5,5
0,3÷1
0,2÷2,5
Ударная
вязкость аК,
кДж/м2
10÷20
2,5÷10
7÷15
5÷15
2,5÷3
2÷3,5
140÷160
160÷200
150÷200
50÷100
250÷280
(350)
250÷400
23
(500)
ТРАБ, °С

24.

Основные типы армирующих
наполнителей
Минеральные
волокна
― асбестовые;
― борные;
― оксидные (стеклянные, базальтовые);
― SiC (керамические)
Углеродные
волокна
Органические
волокна
24

25.

Оксидные волокна
Стеклянные
волокна (СВ)
Базальтовые
волокна (БВ)
В состав волокон входят окислы
различных элементов. Основной
окисел SiO2 (обычно содержание не
менее 50%)
Получают на основе искусственно
создаваемых стекломасс. В составе
стекломасс окислы щелочных и
редкоземельных элементов
Получают из природнодобываемого
базальта, который представляет из себя
вулканическую лаву. В составе не менее 9
окислов (в зависимости от месторождения).
Обязательно базальтовые массы содержат
окисел Fe и не содержат окислы К и Na
Свойства волокон определяются как составов масс, так и технологическими
режимами, обеспечивающих оптимальное протекание процессов плавления и
стеклования волоконных структур с различным содержанием стёкол.
Оксиды Si, Al, Ca, Mg, B, Pb, Ba снижают ТКЛР в различной степени;
Ca, Mg, Al, Zn, Ba, Ti увеличивают химическую стойкость
Оксидные волокна характеризуются низкой стоимостью, особенно БВ (на 15-20%)

26.

Стеклянные волокна
получают высокоскоростной вытяжкой из расплава
однородной стекломассы
+
+
+
+
–
характеризуются высокой твердостью, высокой прочностью при
растяжении,
разрушаются идеально упруго, относительно удлинение 3-6%,
имеют прекрасную тепло- и химстойкость,
легко перерабатываются на обычном текстильном оборудовании,
т.е. используются в виде текстильных форм (нити, жгуты, ровинги,
ленты, ткани, нетканные материалы)
имеют высокую активность поверхности, следовательно легко
смачиваются полимерными связующими.
ø = 8÷10мкм
обладают повышенной хрупкостью, очень чувствительны к
поверхностным дефектам => значительно меньше значения
прочности σпракт << σтеор;
– относительно низкий уровень усталостной прочности
Схематическая структура стеклянного
и средний значение модуля упругости;
алюмоборосиликатного волокна
– из-за высокой активности поверхности она легко
(филамента) фильерной вытяжки
загрязняется (пыль, вода и т.д.), высокая
1- поверхностный слой с дефектами (4,5);
2 – промежуточный кольцевой без
гидрофильность,
дефектный слой;
поэтому при получении поверхность защищают
3 – центральный цилиндр с газовыми
аксиальными дефектами (6)
26
замасливателями или аппретами.

27.

Замасливатели и аппреты
Замасливатель защищает волокна от разрушения при трении
друг об друга, о поверхность оборудования, от склеивания, от
влаги и загрязнителей.
привес 2-5%
В качестве замасливателей используют:
– пластифицированный вазелином крахмал;
– желатин;
– парафиновая эмульсия;
– поливиниловый спирт;
– полиакрилаты, полималеинаты;
– поливинилацетат.
δ = 40-60 нм
Однако, замасливатель препятствует адгезионному взаимодействию между
волокном и связующим. => в условиях повышенной влажности прочности при сжатии и
изгибе ↓ на 50-60%; ↓ диэлектрические свойства.
Перед нанесением связующего проводят термическую обработку (300-320°С) для
Аппреты
– большой
низкомолекулярные
вещества различного состава с биполярной структурой
удаления
части замасливателя.
молекул, наносятся на поверхность минерального волокнистого наполнителя для
целенаправленного регулирования зоны контакта наполнителя и связующим
Более полярная группа адсорбируется или химически присоединяется к
поверхности наполнителя, менее полярная – совмещается или химически
взаимодействует со связующим.
Ограничения: трудности при подборе; быстрая дезактивация биполярных групп
при контакте с окружающей средой (вода, О2, Т°С)
Современные активные замасливатели выполняют и функцию аппретов.
Не требуют удаления. Под определённый тип связующего. Состав – коммерческая тайна.
27

28.

Стеклянные волокна
Свойства CВ определяются составом стекломассы
стекло марки «Е»
Алюмо-боросиликатное
SiO2·Al2O3·B2O3
ρ, г/см3
σр, ГПа
Ер, ГПа
εр, %
2,54
3,5
86
4,8
4,3
1,68
51
2,56
3,95÷4,5
93÷100
52-56%
Свинцовое стекло
(марки «L»)
SiO2·PbO – основные окислы
59%
Стекло ВМ-1
магнезиальноаллюмосиликатное
лучшее CВ для конструкционных материалов
Кварцевые волокна.
Используют кварцевый песок, из
которого после обработки HCl,
выделения SiCl4 из смеси
хлоридов этерификацией с
последующим термолизом
получают SiO2 (99.5÷100% масс.)
2,21
2-3
74
28

29.

Стеклянные волокна
Средний диаметр промышленных волокон ø = 8÷10мкм
СВ – диэлектрики
ρv = 1011÷1018 Ом·см – удельное объёмное сопротивление;
ε = 4÷9 – диэлектрическая проницаемость;
tgδ = 0,001÷0,013 – тангенс угла диэлектрических потерь.
СВ не теплопроводны
λ = 0,81÷1,04 Вт/м·К – теплопроводность;
ср = 0,71÷0,9 кДж/ кг·К – теплоёмкость;
α = (2÷5)·10-6 1/°С – ТКЛР . Стабильные размеры при нагревании и охлаждении.
• Конструкционные CВ работоспособны до 300-350°С, выше уже заметно
падение прочности
• В результате текстильной переработке происходит потеря прочности из-за
чисто механических повреждений волокна. Обычно после текстильной
переработки остается от 50-70% исходной прочности элементарного
волокна
29

30.

Базальтовые волокна
Получают из природнодобываемого базальта, который представляет из
себя вулканическую лаву. В составе не менее 9 окислов (в
зависимости от месторождения). Обязательно базальтовые массы
содержат окисел Fe и не содержат окислы К и Na.
Присутствие окисла железа предает коричневый цвет БВ. Хлорид
придаёт зеленоватую окраску.
• по сравнению со СВ обладают более высоким модулем упругости, хим- и
теплостойкостью;
• высокая стойкость к агресивным средам (замена стали при армировании бетона);
• стойкость к вибрации;
• долговечность (не менее 100 лет);
• стабильность свойств при длительной эксплуатации в различных
условиях;
• лучшее адгезионные свойства (хорошая адгезия к связующим);
• не горючи, взрывобезопасны;
ρ = 2,8 г/см3
• диэлектрики;
σр = 2,4÷4,0 ГПа
• тепло-звукоизоляционны;
• экологически чистое производство.
Е = 100÷120 (160) ГПа
р
Траб от -260 до 700°С
εр = 1,9÷2,2 %

31.

Углеродные волокна
Химический состав – только атомы углерода С.
в зависимости от состояния в котором находится углерод различают
Собственно углеродные
Карбонизованные волокна
состоят из аморфного С
Высокопрочные σр ↑, Ер ↓
Графитированные
волокна
С находится в кристаллическом состоянии
Высокомодульные σр ↓, Ер ↑
УВ как класс имеют Ер в 2-6 раз выше чем СВ
Чистый углерод, его разнообразные формы (уголь, кокс, графит, алмаз)
не плавятся, поэтому УВ получают из органического (полимерного) сырья,
искусственного или природного.
↑Т
Искусственные – полиакрилонитрил
Органический
Неорганический
ПАН- волокна. Белые волокна. ПАНполимер
углерод
прекурсор
Исходные волокна подвергаются глубокому
Природные – мезофазные пеки,
термопеределу. За счет пиролитических
гидрат целлюлозы
реакций из состава органического полимера
полностью удаляются все элементы кроме С

32.

Углеродные волокна
С конденсируются в графитоподобную структуру. В зависимости от
конечной Т обработки получают аморфную или кристаллическую структуру
Карбонизованные
волокна
Графитированные
волокна
ТТО = 1000-1500°С
аморфный С, σр ↑↑
сод. углерода 80-95% масс.
ТТО > 2500°С
кристаллический С, Ер ↑↑
сод. углерода 99% масс.
Элементарные слои (базисные плоскости) представляют собой
конденсированные бензольные ядра
Величина слоя и взаимное расположение, расстояние между слоями определяет
структуру С и влияет на свойства
хаотическое
расположение
слоёв
Слои уложены
параллельно друг
другу
Степень кристалличности ↑ при ↑ ТТО. > 3000°C – сублимация
В волокне слои ориентированы вдоль
оси волокна, в виде т.н. фибрилл

33.

Углеродные волокна
Диаметр волокон ø = 7÷10 мкм
• УВ химически инертны имеют высокую экранирующую способностью к жестким
излучениям (поглощение ароматическими кольцами)
УВ – электропроводны
УВ теплопроводны
ρv = 1,9·10-3 Ом·см; ε = 20÷30
λ = 105÷106 Вт/м·К;
Уникальное свойство УВ ТКЛР вдоль оси волокна < 0
α|| = (-1,6÷0)·10-6 1/°С
(используется при создании параболических антенн)
Низкий коэфф.трения
α┴ = 1,9·10-6 1/°С
μ = 0,15÷0,25;
• В инертной среде не снижают механических свойств до 3000°С(до Тсуб),
в
окислительной до 500°С (происходит окисление С)
• Механические свойства практически не зависят от температуры.
ρ = 1,7÷1,9 г/см3
σр = 2,5÷5,0 ГПа
Ер = 200÷700 ГПа
εр = 0,7÷1,5 %
• Низкая активность поверхности, плохая смачиваемость связующими, ↓
адгезионная прочность. Для увеличения поверхностной энергии УВ С поверхности
частично окисляют (<6%), создают кислород-содержащие полярные группы.
Поверхность активируют далее сразу аппретируют.
• УВ хрупкие, след. текстильная переработка используется в щадящих условиях.
Для получения ткани на основе УВ используют следующий приём:
Белые волокна – ткань – термопередел (пиролиз) – углеродную ткань.
33

34.

Органические волокна
Волокнистые структуры, которые получают вытяжкой из расплавов,
специально подготовленных прядильных растворов органических полимеров
Не все органические полимеры способны образовывать волокна
ОВ получают на основе ПЭ, ПП, ПЭТ (лавсан), алиф.ПА (капрон, нейлон),
линейные полиэфиры (полиэстр), аром.ПА (арамидные)
На основе термостойких термопластов (ПЭЭК, ПИ, ПЭИ, ПАИ,
полифениленбензтиазол ПФБТ)
• Наиболее пригодные полиэтиленовые волокна (СВМПЭ), арамидные, на
основе термостойких термопластов. Они обеспечивают σp Ep. Имеют
малую плотность = ρ исходного полимера.
• Прочность на уровне стеклянных волокон. Модуль упругости Ep ≈ Ep СВ.
Прекрасные диэлектрики.
• Характеризуется высокой стойкостью к динамической и циклической
нагрузкам. Разрушение волокон – вязкоупругое (из-за природы
полимера).
• На разрушение ОВ затрачивается очень много внешней энергии.
Высокая стойкость к ударным нагрузкам, к трещинообразованию.
• ОВ характеризуются высокой химической стойкостью, зависит от
природы полимера, из которого получено волокно.
34

35.

Органические волокна
Недостатки
– низкая прочность в поперечном
направлении
физическая связь
Макромолекулы ориентированы вдоль оси волокна
σ//≈f(σхим.связи п/м)
σ┴≈ f(σфиз.связи п/м)
σфиз.св.< σхим.св., а следовательно, σ┴< σ//
– Траб ОВ ограничивается Тс соответствующих полимеров, Tраб ≤ Tc (Tпл)
• ОВ структурно неоднородны. Многие состоят из
ориентированного ствола (ядра) с высокой степенью
кристалличности и аморфной разрыхлённой оболочки.
• В оболочку могут диффундировать НМВ, скорость
диффузии в аморфной области больше, чем в
кристаллической.
• для арамидных волокон характерна высокая
проницаемость различных химических веществ, воды.
Шкурка хорошо набухает, может разрушиться.
Мех.свойства снижаются.
арамидное волокно
35

36.

Органические волокна
• ОВ так же, как СВ и УВ имеют малые диаметры (до 20 мкм);
• для получения материалов используются текстильные формы ОВ (нити, жгуты, ткани,
ровинги, нетканые материалы);
• при текстильной переработке потеря прочности 3-20%;
• ОВ характеризуются малой активностью поверхности, а следовательно, их трудно
смачить (совместить) со связующим; для устранения этого недостатка на поверхность
волокон можно наносить, так называемые барьерные слои или аппреты.
• Компоненты связующих проникают в поверхностные слои, заполняя микродефекты и
взаимодействуя с функциональными группами волокна-полимера, при этом нарушается
межмолекулярное взаимодействие в полимере, что может привести к изменению
структуры и снижению уровня свойств ОВ.
• Степень изменения структуры и механических свойств ОВ, находящихся в контакте с
НМВ зависит от природы этого контакта, температуры и хим.активности компонентов.
• Барьерные слои защищают ОВ от тех компонентов связующего, которые могут
химически разрушать полимерные волокна;
• Повышенная Тотв связующего, длительная выдержка материала может вызвать
дезориентацию макромолекул полимера волокна => ↓упругопрочностных свойств.
Этому способствует и набухание волокон в компонентах связующего.
• Для предупреждения процесса дезориентации целесообразно применять связующее с
36
Тотв < Тс волокнообразующего полимера или связующее с высокой скоростью
отверждения

37.

Свойства органических волокон
Показатель
СВМПЭ
СВМ
Армос
Русар
ПФБТ
ПЭИ
ПЭЭК
ρ, г/см3
0,97
1,43
1,43
1,45
1,55
1,4-1,5
1,4
σр, ГПа
2-3,5
3,8-4,2
4,5-5,5
4,1-4,5
2,8-3
0,2-0,3
0,3-0,9
Eр, ГПа
50-125
135
145-160
135-145 300
35-45
50-160
εр, %
3-6
3,5
3-3,5
2,6-3
60-70
15-85
Тр, С
90-100
240-270 240-270
170
240
2-3
240-270 500-600
• ОВ характеризуются устойчивостью к горению, также как и полимеры из которых
они получены;
• ПЭ по сравнению с арамидными имеют пониженную горючесть, но подвержены
ползучести;
• Полиэтиленовые волокна характеризуется повышенной стойкостью к истиранию,
свето и химстойкостью.
37

38.

Сравнительные свойства
конструкционных волокон
Показатель
СВ
БВ
УВ
ОВ
КеВ
ρ, г/см3
2,5-5,5
2,8-5,5
1,7-2
0,97-1,5
2,5-5
σр, ГПа
2,5-5
2,4-4
2-4,5
3,5-5
1-3
Eр, ГПа
50-100
100-120
200-600
50-170
(до 300)
100-400
εр, %
3-6
3-6
0,7-1,3
3-6
0,3-1,1
Тр, С
300-600
700
Воздух до 500, 100-280
инертная среда (до 500)
до 3000
1700
α·106, 1/°С
2-5
2-5
-1,6-0
3-10
Диэлектрики,
не проводят тепла
Электро- и
теплопроводны
до 80
Диэлектрики,
не проводят тепла
Для обеспечения требуемых конструкционных свойств, часто используют гибридное
наполнение, т.е. сочетают волокна разной природы.
Например: для лучшей устойчивости углепластиков к удару в их состав вводят ОВ.
38

39. Основные типы армированных пластиков

Стеклопластики (СП)
- полимерные композиционные материалы на основе
полимерных матриц и стеклянных волокнистых
структур.
Сочетают высокие прочностные и диэлектрические свойства с относительно невысокой
плотностью, высокой трещиностойкостью, радиопрозрачностью, химической стойкостью.
Не электропроводны.
СП часто используют в виде текстолитов, т.е. армирующее волокно в виде ткани.
Основные марки: КАСТ, СТЭТ, ФН, СК, СТП
σр=3-5 ГПа Eр=20-30 ГПа Ударная вязкость (стойкость к удару) = 180-600 кДж/м2
• Слоистость структуры СП предопределяют их относительно слабое сопротивление
межслоевому сдвигу ( сдв ~ 100 МПа) и поперечному отрыву. Высокое сопротивление достигается
использованием наполнителей объёмной текстуры .
• Считается, что при кратковременном нагружении характеризуются практически линейной
зависимостью между σ и ε до разрушения.
• СП не обладают пределом текучести.
• При очень медленных нагрузках реализуются пластические деформации.
Широкая
область упругого деформирования СП обуславливает и специфику процесса их
разрушения, которое происходит, как бы, внезапно при эксплуатации. Связано это с
гетерогенностью структуры СП, специфичностью поведения под нагрузкой СВ и
полимерной матрицы, а также с наличием неизбежных макродефектов структуры в виде
39
пор, трещин, газовых и инородных включений и самой границей раздела

40. Основные типы армированных пластиков

Стеклопластики (СП)
- полимерные композиционные материалы на основе
полимерных матриц и стеклянных волокнистых
структур.
Основные области применения
в самолетостроении: элементы фюзеляжа, оперения, элементы крыла,
хвостовой отсек, аэродинамические обтекатели, воздухозаборники, элементы
сопел статоров ГТД.
в вертолётах: лонжероны несущих и рулевых лопастей, отсеки топливных
баков, панели, грузовые трапы и т.д.
Благодаря высоким диэлектрическим свойствам являются материалами
радиопрозрачных конструкций (радиопрозрачные обтекатели, укрытия,
отражатели, рефлекторы, антенны РЛС)
40

41. Основные типы армированных пластиков

Углепластики (УП)
- полимерные композиционные материалы на
основе полимерных матриц (в основном эпоксидных,
эпоксифенольных, имидных, жесткоцепных термопластичных
Псу, ПФС, ПЭЭК) и углеродных волокнистых структур.
Для конструкционных материалов углеродные волокна (УВ) используют в виде жгутов,
ровниц (ровингов) и лент. Основная цель – максимально полно реализовать свойства
волокон
Тканые и нетканые УВ используются для получения полимерных материалов;
электро-, радио- и теплотехнического назначения, триботехнического
назначения.
Конструкционные УП разработаны и паспортизованы ВИАМом и имеют марку
КМУ-1, КМУ-2, КМУ-3 (Композиционный материал углеродный) в н.в. ВКУ
Свойства КМУ
σр=0,7-2 ГПа
Eр=120-200 ГПа
ρ=1,3-1,5 г/см3
+ Высокие механические свойства, высокая усталостная прочность, наибольшая длительная
прочность, высокая стойкость к вибрации. Низкая ползучесть благодаря высокой жесткости и
деформативности УВ.
+ От СП и ОП отличаются повышенной водо-, атмосферостойкостью, малым водопоглощением.
Влага в УП сорбируется в основном связующим и границей раздела (УВ – гидрофобны) .
+ Электрофизические и теплофизические свойства УП определяются волокном. Высокие
электропроводность, теплопроводность.
+ Низкий ТКЛР (для высокомодульных – отрицательный) способствует повышению стабильности
размеров и формы изделия при изменении температуры.
41
+ Низкий коэффициент трения УВ обуславливает применения УП в узлах трения

42. Основные типы армированных пластиков

Углепластики (УП)
- полимерные композиционные материалы на
основе полимерных матриц (в основном эпоксидных,
эпоксифенольных, имидных, жесткоцепных термопластичных
Псу, ПФС, ПЭЭК) и углеродных волокнистых структур.
"–" Основной недостаток – низкая поперечная прочность, высокая стоимость.
"–" Обладают меньшей ударной вязкостью, трещиностойкостью и остаточной прочностью при
наличии дефектов
Основные области использования УП:
любые силовые элементы летательных аппаратов
лопатки газотурбинных двигателей, корпуса компрессоров и вентиляторов,
воздуховоды, диски статора и ротора компрессора низкого давления,
подшипники
элементы крыла, створки, щиты, стенки лонжеронов и нервюр крыльев и
оперения; обшивки (несущие слои) пароболических рефлекторов (3-х слойные
конструкции с сотовым заполнителем), крупногабаритные обшивки модулей
МКС, обтекателей ракетоносителей
спортивный инвентарь
42

43. Основные типы армированных пластиков

- полимерные композиционные материалы на
Органопластики (ОП) основе полимерных матриц и высокопрочных
высокомодульных органических волокон (арамидных,
СВМПЭ, из полиариленов, полигетероариленов, ПЭЭК, ПФБТ) .
Высокие значения Еуд (ниже только у УП) и σуд (в 2 раза больше СП), Ударная вязкость
до 1000 кДж/м2. Высокая усталостная и длительная прочность, трещиностойкость,
устойчивость к механическим и абразивным воздействиям.
Устойчивость к динамическим нагрузкам.
Высокие электро-, тепло-, звукоизоляционные свойства достаточно стабильны в условиях
длительного воздействия различных климатических факторов.
Особенность ОП – полимерная природа обоих компонентов.
Диффузия компонентов, химическое взаимодействие, высокие сорбционные свойства
ОВ, поглощающих газообразные продукты, растворение в связующих способствует
формированию дефектной структуры межфазного слоя. Но по сравнению с другими КМ в
ОП меньше пор и трещин, как на границе раздела, так и в объёме связующего.
Пористость 1-2% (в др. может доходить до 10-20%)
Разрушение начинается с расщепления волокна и отрыва оболочки от ядра.
"–" При длительных воздействиях достаточно высоких нагрузок развивается ползучесть.
Увеличивается с повышением температуры и влагосодержания .
"–" Низкое сопротивление сжимающим нагрузкам
43

44. Основные типы армированных пластиков

- полимерные композиционные материалы на
Органопластики (ОП) основе полимерных матриц и высокопрочных
высокомодульных органических волокон (арамидных,
СВМПЭ, из полиариленов, полигетероариленов, ПЭЭК, ПФБТ) .
Для арамидных ОП ,особенно, высокое водо-, влагопоглощение, высокая
сорбционная активность по отношению к воде и водяному пару.
При 5% падение σизг и усталостной прочности на 40%.
Высокая чувствительность связана со сравнительно высокой
полярностью волокна (большое количество полярных групп)и с
особенностями структуры КМ – наличием развитой системы внутренних
пор и капилляров.
Удаление влаги приводит к восстановлению физико-механических
свойств на 75-80%
44

45. Основные типы армированных пластиков

Органопластики (ОП)
- полимерные композиционные материалы на основе полимерных
матриц и высокопрочных высокомодульных органических волокон
(арамидных, СВМПЭ, из полиариленов, полигетероариленов,
ПЭЭК, ПФБТ) .
Основные области применения
Многофункциональные материалы. В зависимости от состава и структуры применяются
для изделий конструкционного, электро- и радиотехнического, теплоизоляционного
назначения, для защиты от механического и баллистического поражения, воздействия
агрессивных сред.
тросы, канаты, бронезащита
рулевые тяги
обшивки летательных аппаратов, перегородки внутренних конструкций,
защитные экраны для комбинированной броневой защиты, корпуса РДТТ,
ускорителей для ВКС, ракет
конструкции ГТД: оболочки сотовых панелей воздухозаборников, гондолы,
защитные кольцевые экраны от осколков лопаток вентилятора при их
разрушении.
в качестве обмоточных лент роторов электродвигателей; для защитных
элементов конструкций крупногабаритных электрогенераторов .
баллоны высокого давление для газа и жидкости
45

46.

Сравнительные свойства материалов
Свойства
Полимеры
(линейные)
Термопласты
Однонаправленная структура
УП
СП
ОП
Al(Д-16)
Ti
ρ, г/см3
0,9-1,8
1,3-1,6
1,6-2,2
1,2-1,35
2,8
4,6
σр, МПа
1-300
700-2000
300-1800
700-1500
460
450
Eр, ГПа
0,5-20
120-200
13-70
50-80
72
120
Разруш.
х-ка при
сдвиге
τсдвига, МПа
2-60
10-60
70-80
10-25
98-700
98-700
Удельная
прочность
σуд, км
0,1-30
73-85
30-100
66-110
17
9,9
Еуд, км
100-1000
1080012000
1100-3350
5000-5800 2570
2608
До Тс
выше 46
400
– температура
матрицы,
ТТРс, С
Достеклования
250-270 До
400 волокна
До 300
Ме сплав
350-400

47.

Сравнение свойств некоторых
армированных пластиков со сталью
Показатель
Сталь
Полиэфирный СП
(однонаправленный)
φв – 70% масс; 53% объём
Эпоксидный УП
(однонаправленный)
φв – 69% масс; 58% объём
ρ, г/см3
7,83
1,94
1,6
Eр, ГПа
200
5
190
(растяжение)
удельный модуль
Е/ρ, км
25,5
23,7
118
6,55
46,3
Е/ρ3 – для оценки 0,417
при
изгибных
нагрузках
Вывод: на изгиб сталь в 15 раз хуже работает, чем стеклопластик и в 111 раз
хуже, чем УП
47

48.

Рекомендуемая литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Любин Дж. Справочник по композиционным материалам. Пер. с англ./ Под ред.
А.Б. Геллера. в двух томах– М.: Машиностроение, 1988. – 448с.
Технология производства изделий и интегральных конструкций из КМ в
машиностроении_А.Г.Братухин, В.С.Боголюбов, О.С.Сироткин – М.: Готика, 2003. 516 с.
Мийченко И.П.. Технология полуфабрикатов полимерных материалов. – СПб.:
НОТ, 2012. – 374 с.
Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов – М.: Мир,
1988. -336 с.
Промышленные полимерные композиционные материалы. Ричардсон. Пер. с анг.
Под ред. Бабаевского. М.: Химия . 1980. – 472 с.
Наполнители для ПКМ. под ред. Кац, Милевски, пер. с англ.под ред. Бабаевского.
М.: Химия .1981. – 738 с.
Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е
изд. – СПб.: Научные основы и технологии, 2010. – 822 с.
Михайлин Ю.А. Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике.
– СПб.: Научные основы и технологии, 2013. – 650 с.
Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология:
Учебное пособие. 4-е издание. /Под ред. Берлина А.А. – СПб.: Профессия, 2014. –
560 с.
Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. – М.: Машиностроение,
Композиционные материалы. 1990г. – 512с
Справочник по композиционным материалам. Киев.: Наукова Думка,
1985. – 593 с.
Армированные пластики. / Под ред. Г.С. Головкина, В.И. Семенова. - М.: Изд-во

49.

Рекомендуемая литература
13. Пластики конструкционного назначения. Реактопласты. / Под ред.
Е.Б.Тростянской – М.: Химия, 1974. -304 с.
14. Термоустойчивость пластиков конструкционного назначения/ под ред.
Тростянской . М.: Химия, 1980.- 240 с.
15. Кудрявцев Г.И., Варшавский В.Я. Армирующие химические волокна для КМ. М.:
Химия, 1992. – 236 с.
16. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые композиты. – Спб.: НОТ,
2009. -380 с.
17. Перепёлкин К.Е. Структура и свойства волокон. М.: Химия, 1985. – 208 с.
18. Михайлин Ю.А. Специальные полимерные композиционные материалы. – СПб.:
изд-во НОТ, 2009, - 660 с.
19. Михайлин Ю.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. – СПб.:
Научные основы и технологии, 2012. – 480 с.
20. Михайлин Ю.А. Тепло-, термо-, огнестойкость полимерных материалов. – СПб.:
Научные основы и технологии, 2011. – 460 с.
21. Термопласты конструкционного назначения. / Под ред. Е.Б. Тростянской – М.:
Химия, 1975. -240 с.
22. Справочник по пластическим массам. Изд. 2-е пер. и доп. В 2-х томах. / Под ред.
В.М. Катаева, В.А. Попова, Б.И. Сажина – М.: Химия, 1975. - т. 1. - 448 с. – т. 2. 568 с.
23. Технические свойства пластмасс: Учебное пособие/ В.К. Крыжановский. – Спб.:
ЦОП «Профессия», 2014. – 248 с.
24. Энциклопедия полимеров. Т. 1,2,3 – М.: Советская энциклопедия, 1974-1977.