На основе углеродных
волокон и углеродной матрицы
создают композиционные углеграфитовые
материалы – наиболее термостойкие
композиционные материалы (углеуглепластики),
способные долго выдерживать в инертных
или восстановительных средах температуры
до 3000° С. Существует несколько способов
производства подобных материалов. По
одному из них углеродные волокна пропитывают
фенолформальдегидной смолой, подвергая
затем действию высоких температур (2000°
С), при этом происходит пиролиз органических
веществ и образуется углерод. Чтобы материал
был менее пористым и более плотным, операцию
повторяют несколько раз. Другой способ
получения углеродного материала состоит
в прокаливании обычного графита при высоких
температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный
углерод, образующийся при пиролизе метана,
закрывает все поры в структуре графита.
Плотность такого материала увеличивается
по сравнению с плотностью графита в полтора
раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные
узлы ракетной техники и скоростных самолетов,
тормозные колодки и диски для скоростных
самолетов и многоразовых космических
кораблей, электротермическое оборудование.
В) Боропластики
– композиционные материалы, содержащие
в качестве наполнителя борные волокна,
внедренные в термореактивную полимерную
матрицу, при этом волокна могут быть как
в виде мононитей, так и в виде жгутов,
оплетенных вспомогательной стеклянной
нитью или лент, в которых борные нити
переплетены с другими нитями. Благодаря
большой твердости нитей, получающийся
материал обладает высокими механическими
свойствами (борные волокна имеют наибольшую
прочность при сжатии по сравнению с волокнами
из других материалов) и большой стойкостью
к агрессивным условиям, но высокая хрупкость
материала затрудняет их обработку и накладывает
ограничения на форму изделий из боропластиков.
Кроме того, стоимость борных волокон
очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с
особенностями технологии их получения
(бор осаждают из хлорида на вольфрамовую
подложку, стоимость которой может достигать
до 30% стоимости волокна). Термические
свойства боропластиков определяются
термостойкостью матрицы, поэтому рабочие
температуры, как правило, невелики.
Применение боропластиков
ограничивается высокой стоимостью производства
борных волокон, поэтому они используются
главным образом в авиационной и космической
технике в деталях, подвергающихся длительным
нагрузкам в условиях агрессивной среды.
Г) Органопластики
– композиты, в которых наполнителями
служат органические синтетические,
реже – природные и искусственные
волокна в виде жгутов, нитей,
тканей, бумаги и т.д. В термореактивных
органопластиках матрицей служат,
как правило, эпоксидные, полиэфирные
и фенольные смолы, а также
полиимиды. Материал содержит 40–70%
наполнителя. Содержание наполнителя
в органопластиках на основе
термопластичных полимеров –
полиэтилена, ПВХ, полиуретана
и т.п. – варьируется в значительно
больших пределах – от 2 до 70%.
Органопластики обладают низкой
плотностью, они легче стекло- и
углепластиков, относительно высокой
прочностью при растяжении; высоким
сопротивлением удару и динамическим
нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью
при сжатии и изгибе.
Важную роль
в улучшении механических характеристик
органопластика играет степень
ориентация макромолекул наполнителя.
Макромолекулы жесткоцепных полимеров,
таких, как полипарафенилтерефталамид
(кевлар) в основном ориентированы в направлении
оси полотна и поэтому обладают высокой
прочностью при растяжении вдоль волокон.
Из материалов, армированных кевларом,
изготавливают пулезащитные бронежилеты.
Органопластики
находят широкое применение в
авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической
технике, радиоэлектронике, химическом
машиностроении, производстве спортивного
инвентаря и т.д.
Д) Полимеры, наполненные
порошками. Известно более 10000
марок наполненных полимеров.
Наполнители используются как
для снижения стоимости материала,
так и для придания ему специальных
свойств. Впервые наполненный
полимер начал производить доктор
Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в
начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной
(бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола
– вещество хрупкое, обладающее невысокой
прочностью. Бейкеленд обнаружил, что
добавка волокон, в частности, древесной
муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает
ее прочность. Созданный им материал –
бакелит – приобрел большую популярность.
Технология его приготовления проста:
смесь частично отвержденного полимера
и наполнителя – пресс-порошок - под давлением
необратимо затвердевает в форме. Первое
серийное изделие произведено по данной
технологии в 1916, это – ручка переключателя
скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные
термореактивные полимеры широко используются
по сей день.
Сейчас применяются
разнообразные наполнители так
термореактивных, так и термопластичных
полимеров. Карбонат кальция и
каолин (белая глина) дешевы, запасы
их практически не ограничены,
белый цвет дает возможность
окрашивать материал. Применяют
для изготовления жестких и
эластичных поливинилхлоридных
материалов для производства
труб, электроизоляции, облицовочных плиток
и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения
полиэтилена и полипропилена. Добавление
талька в полипропилен существенно увеличивает
модуль упругости и теплостойкость данного
полимера. Сажа больше всего используется
в качестве наполнителя резин, но вводится
и в полиэтилен, полипропилен, полистирол
и т.п. По-прежнему широко применяют органические
наполнители – древесную муку, молотую
скорлупу орехов, растительные и синтетические
волокна. Для создания биоразлагающихся
композитов в качество наполнителя используют
крахмал.
Е) Текстолиты
– слоистые пластики, армированные
тканями из различных волокон.
Технология получения текстолитов
была разработана в 1920-х на
основе фенолформальдегидной смолы.
Полотна ткани пропитывали смолой,
затем прессовали при повышенной
температуре, получая текстолитовые пластины.
Роль одного из первых применений текстолитов
– покрытия для кухонных столов – трудно
переоценить.
Основные принципы
получения текстолитов сохранились,
но сейчас из них формуют
не только пластины, но и фигурные
изделия. И, конечно, расширился
круг исходных материалов. Связующими
в текстолитах является широкий
круг термореактивных и термопластичных
полимеров, иногда даже применяются
и неорганические связующие – на основе
силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя
используются ткани из самых разнообразных
волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных,
углеродных, асбестовых, базальтовых и
т.д. Соответственно разнообразны свойства
и применение текстолитов.
Композиционные материалы
с металлической матрицей
При создании
композитов на основе металлов
в качестве матрицы применяют
алюминий, магний, никель, медь и
т.д. Наполнителем служат или
высокопрочные волокна, или тугоплавкие,
не растворяющиеся в основном
металле частицы различной дисперсности.
Свойства дисперсноупрочненных
металлических композитов изотропны –одинаковы
во всех направлениях. Добавление 5–10%
армирующих наполнителей (тугоплавких
оксидов, нитридов, боридов, карбидов)
приводит к повышению сопротивляемости
матрицы нагрузкам. Эффект увеличения
прочности сравнительно невелик, однако
ценно увеличение жаропрочности композита
по сравнению с исходной матрицей. Так,
введение в жаропрочный хромоникелевый
сплав тонкодисперсных порошков оксида
тория или оксида циркония позволяет увеличить
температуру, при которой изделия из этого
сплава способны к длительной работе,
с 1000° С до 1200° С. Дисперсноупрочненные
металлические композиты получают, вводя
порошок наполнителя в расплавленный
металл, или методами порошковой металлургии.
Армирование металлов
волокнами, нитевидными кристаллами,
проволокой значительно повышает
как прочность, так и жаростойкость
металла. Например, сплавы алюминия,
армированные волокнами бора, можно
эксплуатировать при температурах
до 450–500° С, вместо 250–300° С. Применяют
оксидные, боридные, карбидные, нитридные
металлические наполнители, углеродные
волокна. Керамические и оксидные волокна
из-за своей хрупкости не допускают пластическую
деформацию материала, что создает значительные
технологические трудности при изготовлении
изделий, тогда как использование более
пластичных металлических наполнителей
позволяет переформование. Получают такие
композиты пропитыванием пучков волокон
расплавами металлов, электроосаждением,
смешением с порошком металла и последующим
спеканием и т.д.
В 1970-х появились
первые материалы, армированные
нитевидными монокристаллами («усами»).
Нитевидные кристаллы получают,
протягивая расплав через фильеры.
Используются «усы» оксида алюминия,
оксида бериллия, карбидов бора
и кремния, нитридов алюминия и кремния
и т.д. длиной 0,3–15 мм и диаметром 1–30 мкм.
Армирование «усами» позволяет значительно
увеличить прочность материала и повысить
его жаростойкость. Например, предел текучести
композита из серебра, содержащего 24% «усов»
оксида алюминия, в 30 раз превышает предел
текучести серебра и в 2 раза – других
композиционных материалов на основе
серебра. Армирование «усами» оксида алюминия
материалов на основе вольфрама и молибдена
вдвое увеличило их прочность при температуре
1650° С, что позволяет использовать эти
материалы для изготовления сопел ракет.
Композиционные материалы
на основе керамики
Армирование керамических
материалов волокнами, а также
металлическими и керамическими
дисперсными частицами позволяет
получать высокопрочные композиты,
однако, ассортимент волокон, пригодных
для армирования керамики, ограничен
свойствами исходного материала.
Часто используют металлические
волокна. Сопротивление растяжению
растет незначительно, но зато
повышается сопротивление тепловым
ударам – материал меньше растрескивается
при нагревании, но возможны случаи,
когда прочность материала падает.
Это зависит от соотношения
коэффициентов термического расширения
матрицы и наполнителя.
Армирование керамики
дисперсными металлическими частицами
приводит к новым материалам (керметам)
с повышенной стойкостью, устойчивостью
относительно тепловых ударов, с повышенной
теплопроводностью. Из высокотемпературных
керметов делают детали для газовых турбин,
арматуру электропечей, детали для ракетной
и реактивной техники. Твердые износостойкие
керметы используют для изготовления
режущих инструментов и деталей. Кроме
того, керметы применяют в специальных
областях техники – это тепловыделяющие
элементы атомных реакторов на основе
оксида урана, фрикционные материалы для
тормозных устройств и т.д.
Керамические
композиционные материалы получают
методами горячего прессования
(таблетирование с последующим
спеканием под давлением) или
методом шликерного литья (волокна
заливаются суспензией матричного материала,
которая после сушки также подвергается
спеканию).
Заключение
Композиционные
материалы постепенно занимают
все большее место в нашей
жизни. Области применения композиционных
материалов многочисленны. Кроме
авиационно-космической, ракетной
и других специальных отраслей
техники, они могут быть успешно
применены в энергетическом турбостроении,
в автомобильной и горнорудной,
металлургической промышленности,
в строительстве и т.д. Диапазон
применения этих материалов увеличивается
день ото дня и сулит еще
много интересного. Можно с
уверенностью сказать, что это
материалы будущего.
Список использованной
литературы
Энциклопедия
« Кругосвет »
Электронные версии
журналов. Химическая наука и
образовании е в России.