Леонов В.В., Артемьева О.А., Кравцова Е.Д. Материаловедение и технология композиционных материалов
Подождите немного. Документ загружается.
71
расчет чувствительных к адгезионному взаимодействию
параметров по отдельным физическим характеристикам компонентов;
оценка влияния этих параметров и условий образования
адгезионных соединений на величины площади межфазного контакта и
энергии межфазного взаимодействия с целью их оптимизации и
установления кинетики процесса;
определение прочности соединений в зависимости от природы
адгезивов и субстратов;
выбор оптимальных объектов, условий образования и
конструкций адгезионных соединений, отвечающих эксплутационным
характеристикам конкретных изделий.
Контрольные вопросы:
1. На чем основаны методы регулирования смачивания?
2. Какие условия необходимы для взаимного смачивания матрицы и
волокна?
3. От чего зависит пропитка и сушка пористых материалов?
4. Перечислите основные условия смачивания в равновесных системах.
5. Перечислите основные условия смачивания в неравновесных системах.
6. При каких условия
наблюдается улучшение смачивания окислов в
системе жидкий металл - тугоплавкий окисел?
7. При каких условия наблюдается улучшение смачивания окислов в
системе Жидкий металл – графит?
Лекция 9. Стеклянные и кварцевые волокна
Методы получения стекловолокон
Сплошные волокна
Свойства стекловолокон
Профильные стеклянные волокна
Композиции, армированные профильными волокнами
ЧАСТЬ 3. ХАРАКТЕРИСТИКА И ОБЩИЕ
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Основные виды композитов на основе металлической матрицы
включают волокнистые, дисперсно-упрочненные, псевдосплавы, а также
эвтектические. В качестве матриц для металлических композиционных
материалов наиболее широко используются алюминий, магний, титан,
никель, кобальт.
72
3.1. СТЕКЛЯННЫЕ И КВАРЦЕВЫЕ ВОЛОКНА
Пластические массы армируют
разнообразными волокнами: асбестовыми,
сизалевыми, хлопковыми и многими другими, но
для высокопрочных пластиков чаще всего
используют стеклянные волокна. Это объясняется
удачным сочетанием их свойств, хотя не последнюю роль играет и низкая
стоимость разнообразных промышленных стекловолокон.
Стекловолокна по прочности превосходят все другие
распространенные конструкционные материалы. Так, прочность
неповрежденных волокон из
Е-стекла равна в среднем 365 кг/мм
2
.
Стекловолокна имеют довольно высокий модуль Юнга (5-11)10
3
кг/мм
2
и на
много превосходят в этом отношении армируемые ими полимеры. Поэтому в
стеклопластиках большую часть нагрузки воспринимают волокна. Поскольку
плотность стекла сравнительно низкая (2,5 г/см
3
), стекловолокна имеют
высокую удельную прочность и удельный модуль, что особенно важно при
применении этих материалов в авиации и на водном или сухопутном
транспорте.
Стекловолокна довольно инертны химически, а поскольку полимеры
также весьма устойчивы во многих агрессивных средах, то стеклопластики
часто используются там, где металлы сильно корродируют. Стеклопластики
широко применяются, например,
при изготовлении трубопроводов для
химически агрессивных жидкостей, подземных емкостей для хранения
бензина и т.д.
3.1.1. Методы получения стекловолокон
Сплошные волокна.
Стеклянные волокна изготавливают выдавливанием расплавленной
массы через фильтры диаметром 0,8-3,2 мм и быстрым вытягиванием на
выходе из фильер до диаметра 3,5-19 мкм ( 100-300 раз).
Непрерывные стеклянные волокна, используемые в качестве
высокопрочных армирующих
наполнителей, вытягивают с окружными
скоростями вращения до 3800 м/мин (машина движется со скоростью 60
км/час 1000 м/мин, самолет V = 1200 км/час = 20000 м/мин).
73
Рис. 18 - Схема получения стеклянных волокон
Вытяжку волокон можно производить и дутьевым методом, распыляя
расплавленное стекло после выхода из фильер струей воздуха, пара или
горячих газов. Получаемое при этом короткое (штапельное) волокно имеет,
однако, меньшую прочность - обычно около 70 кг/мм
2
(в 5 раз меньше).
Фильеры, через которые вытягивают расплавленное стекло,
расположены в основании лодочки из платины или ее сплавов. Лодочку
нагревают прямым пропусканием тока или индукционно. Стекло подают в
фильеры разными способами. Иногда расплавленное и рафинированное в
большой плавильной ванне стекло формуют в виде шариков диаметром
около 20 мм и уже
эти шарики подают в лодочки, где их снова расплавляют
перед вытяжкой волокон. В лодочку можно подавать стекло, расплавленное в
большой плавильной ванне.
Легкость и стабильность процесса формования определяются главным
образом свойствами и состоянием стекла на выходе из фильеры. Особенно
большое влияние оказывает вязкость при температуре формования и
74
скорость изменения вязкости с температурой. Процесс нарушается, если в
стекле присутствуют мелкие твердые частицы.
В большинстве случаев лодочки имеют по 204 фильеры (их число
может быть и кратным 204). Обычно после выхода из фильер элементарные
волокна соединяют в прядь, являющуюся исходным элементом всех
материалов на основе непрервыного стекловолокна. Однако волокна в пряди
оказывают
друг на друга сильное абразивное воздействие. Для того чтобы
снизить потери прочности от абразивного истирания и склеить волокна в
прядь, на их поверхность перед прядением наносят замасливатель. Обычные
замасливатели представляют собой, как правило, эмульсии крахмала,
минерального масла и других компонентов. Их применяют только при
переработке волокна в различные виды стекловолокнистых
материалов и
после окончания переработки перед введением наполнителя в полимер
удаляют. Вместо них на поверхность волокна наносят аппретирующие
составы, повышающие адгезию между стеклом и полимером. Бывают также
активные замасливатели, которые выполняют свойственные обычным
замасливателям функции в операциях переработки волокон и одновременно
служат аппретами при пропитке волокна полимером.
3.1.2. Свойства стекловолокон
Состав
стекла в первую очередь определяет свойства стекловолокон.
Не менее значимой оказывается и термическая предистория стекла.
Расширение сфер применения стекловолокон определяется в основном их
свойствами.
Высокая прочность при растяжении. Стекловолокна имеют очень
высокий предел прочности при растяжении, превышающей прочность других
текстильных волокон. Удельная прочность стекловолокон (отношение
прочности при растяжении к плотности) превышает
аналогичную
характеристику стальной проволоки.
Тепло- и огнестойкость. Так как природа стекловолокон
неорганическая, они не горят и не поддерживают горение. Высокая
температура плавления стекловолокон позволяет использовать их в области
высоких температур.
Хемостойкость. На стекловолокна не воздействуют большинство
химикатов и не разрушаются под их влиянием. Устойчивы стекловолокна и к
воздействию грибков, бактерий
и насекомых.
Влагостойкость. Стекловолокна не сорбируют влагу, следовательно, не
набухают, не растягиваются и не разрушаются под ее воздействием.
Стекловолокна не гниют и сохраняют свои высокие прочностные свойства в
среде с повышенной влажностью.
Термические свойства. Стекловолокна имеют низкий коэффициент
термического линейного расширения (КТР) и большой коэффициент
теплопроводности. Эти свойства позволяют эксплуатировать их
при
75
повышенных температурах, особенно, если необходима быстрая диссипация
температуры.
Электрические свойства. Поскольку стекловолокна не проводят ток,
они могут быть использованы как очень хорошие изоляторы. Это особенно
выгодно там, где необходимы высокая электрическая прочность и низкая
диэлектрическая постоянная.
Физические, механические, термические и электрические свойства
используемых стекол приводятся в таблицах. Для каждого конкретного
применения
обычно используют то волокно, в котором реализуется
максимальное число необходимых свойств. Так, например, в авиа- и
ракетостроении при создании обтекателей используются высокие прочности
и хорошие электрические свойства армирующих стекловолокон. При
создании печатно-наборных плат должны быть соблюдены условия
реализации хороших электрических свойств и высокой размеро-
стабильности. Стекловолокна обеспечивают эти качества
и при изменении
внешних условий, и в процессе технологических операций.
Большое разнообразие стекловолокон, как армирующего агента в КМ,
требует максимального сохранения свойств в условиях высокой влажности.
Для этих целей предпочтительнее волокна из Е-стекол (алюмо-
боросиликаты), так как они максимально устойчивы к воздействию воды.
При кипячении в течении 1 ч волокно из
Е-стекла (алюмо-боросиликатное)
теряет 1,7% массы, в то время как те же потери для волокон из других стекол
составляет 0,13% для S-стекол (магний алюмо-силикатные) и 11,1% для А-
стекла (высоко-щелочное). Хотя при часовой экспозиции потери массы S-
стекла меньше, чем Е-стекла, при длительном кипячении волокна из S-стекла
теряют большую массу,
чем из Е-стекла. В результате этого происходит
существенное снижение свойств S-волокон. Таким образом, если композиты
должны сохранять в течение длительного времени стабильные свойства,
желательно использовать для их армирования Е-стекла. Высокая прочность
при растяжении и малая диэлектрическая проницаемость волокон из Е-стекла
также являются важным фактором при их использовании.
Однако
волокна из Е- и А- стекол разрушаются под действием кислот и
щелочей, в то время как S-стекла прекрасно сохраняются при воздействии
этих реагентов. Поэтому S-стекла применяются в таких средах, как
например, сепараторы в аккумуляторных батареях.
76
3.1.3 Профильные стеклянные волокна
Профильными волокнами называют обычно
непрерывные волокна с сечением любой иной формы, чем
у сплошного круглого цилиндра. Примером самого
простого профильного волокна могут служить полые
круглые волокна. Еще более перспективное профильное
волокно имеет сечение полого шестигранника. Как
сплошные, так и полые профилированные стеклянные
волокна изготовлялись в виде стержней
с сечениями
треугольной, квадратной, шестиугольной, лентовидной и иной формы и с
гладкой или гофрированной поверхностью.
Разработка профильных волокон была вызвана необходимостью
создания КМ с большой удельной жесткостью, (вспомним зависимость Е - d).
Выгодность профильных волокон фигурного сечения с точки зрения
повышения прочности и модуля КМ была доказана аналитически.
Профильные волокна (например, с гексагональным
и прямоугольным
поперечным сечением) позволяют добиться большей плотности упаковки,
что дает материал с более высоким содержанием стекловолокна и меньшей
проницаемостью. Еще эффективнее повышают в КМ удельный модуль и
удельную прочность полые волокна.
Многие натуральные волокна по форме поперечного сечения
отличаются от круглых цилиндров. При экструзии синтетических
полимерных волокон им также
придают разную форму в сечении, например,
трехлепестковую, для повышения жесткости и ослабление блеска. Часто
выпускают проволоку квадратной формы. Опытными партиями выпускают
полые цилиндрические стекловолокна с отношением диаметра канала к
наружному диаметру, равным 0,7. Из профильных стекловолокон
изготавливают весьма специализированные элементы волоконной оптики.
Процесс формования профильных волокон. Толчок к разработке
технологии производства профильных
волокон дали опыты, в которых
ручной вытяжкой получали волокна прямоугольного сечения из
прямоугольных стеклянных полос. Механизация этой операции позволила
наладить непрерывное производство волокон прямоугольного сечения.
Позже была доказана возможность изготовления из Е-стекла волокон
шестиугольного сечения.
В принципе технология производства профильных волокон сводится к
вытяжке заготовки и представляет собой по
сути дела усовершенствованный
вариант очень старого процесса вытяжки волокна из нагретого с одного
конца стеклянного стержня такого же профиля.
77
Рис. 19 - Схема получения профилированных волокон
На Рис. 19 схематически показаны главные элементы установки для
вытягивания профильных волокон. В верхней части установки помещается
механическое устройство для медленного и непрерывного опускания через
небольшую печь стеклянной заготовки с поперечным сечением такой же
формы, как и у готового волокна, но большего размера. Волокно вытягивают
с
помощью намоточного аппарата с нижнего конца заготовки,
размягчающегося нагревателем в нижней части печи. Но необходимо
подчеркнуть, что этот процесс не является разновидностью процессов
экструзии – от входа в печь в виде заготовки до выхода в форме волокна
стекло ни с чем не соприкасается. Поперечный размер профильного волокна
определяется соотношением скоростей подачи заготовки
и вытягивания. Для
точного воспроизведения в волокне профиля заготовки необходим
тщательный контроль температуры печи и ее температурного градиента.
Более того, чтобы волокно имело поперечное сечение постоянных размеров,
необходима тщательная синхронность скорости наматывающего барабана со
скоростью подачи заготовки и температурой печи. Для наиболее полного
использования всех преимуществ профильных волокон целесообразно
применять
их в конструкциях, изготавливаемых намоткой. Эксперименты
показывают, что лучше всего волокно наматывать сразу же после вытяжки.
Поскольку профильные волокна в большинстве случаев упаковываются
очень плотно, смачивать или покрывать их смолой нужно до укладки.
78
Композиции, армированные профильными волокнами
Свойства композиций с профильными волокнами пока еще находятся в
стадии изучения. Из профильных волокон разной формы точной намоткой
удавалось изготовлять изделия с малым содержанием смолы.
Один из главных методов, позволяющих наиболее полно использовать
преимущества профильных волокон, - прецизионная намотка. При такой
намотке плоские поверхности соседних волокон плотно
соприкасаются друг
с другом. Хотя матрица при этом и остается непрерывной фазой, объем ее
можно свести к минимуму. Тонкие слои смолы передают напряжения от
волокна к волокну гораздо лучше, чем ее прослойки неправильной формы
между хаотически распределенными волокнами круглого сечения. Но даже с
круглыми волокнами, если их уложить прецизионной намоткой так
, как
показано на
Рис. 21, можно получить композиции с более одинаковыми по форме
прослойки связующего.
Волокна в форме микроленты прямоугольного сечения прецизионной
намоткой укладывали слоями так, что в каждом слое боковые грани
микролент почти стыковывались друг с другом. Исследование этой
композиции показало, что объемное содержание стекла в ней составляло
около 90%. Композиции
с такой структурой почти изотропны и
приближаются по свойствам к монолитному стеклу. Об этом
свидетельствуют результаты измерения модуля упругости при испытаниях
трубы, изготовленной прецизионной намоткой микроленты.
Технологичнее изготовить
большую трубу из стекла намоткой,
чем плавкой. Особо новые свойства
композиции получаются намоткой
профильных полых волокон.
Существенно увеличивается
отношение прочности на единицу
объема
и уменьшается плотность
композиции при сохранении
прочности на единицу сечения.
Главный недостаток профильных
стеклянных волокон на современном
Рис.
20
-
. Схема создания композита
Рис. 21 - Плотная
упаковка
профилированных
полых волокон
79
уровне их разработки - низкая прочность при растяжении. Типичная
прочность такого волокна, как микролента из оконного стекла, равная 140
кг/мм
2
. Низкая прочность является следствием недостатков, свойственных
методу формования. При вытяжке профильного волокна, стекло
поддерживают при такой минимально необходимой температуре, чтобы его
вязкость оставалась достаточно высокой для сохранения исходной формы
поперечного сечения. Существующие на заготовке дефекты или попадающие
на нее пылинки при проходе через печь полностью не проплавляются и
остаются на
поверхности волокна, играя роль очагов распространения
трещин. Было установлено, что для уменьшения возможных потерь
прочности исходную заготовку целесообразно подвергать химическому
травлению (полировке) в кислоте, а также принимать самые тщательные
меры предосторожности против загрязнения стекла непосредственно до
самого момента формования.
Изготовлять профильные волокна по методу уменьшения сечения
можно и из более высокопрочных
стекол, но их узкий интервал обработки и
подверженность расстекловыванию затрудняет процесс формования волокон.
Если расплав стекломассы не перегревать, то нельзя вытянуть тонкие
волокна.
Контрольные вопросы:
1. Какие свойства стекловолокон обуславливают их применение в КМ?
2. Какие существуют методы получения сплошных стекловолокон?
3. Какие существуют методы получения профильных стекловолокон?
4. Какими
свойствами обладают композиции с профильными волокнами?
5. Чем обусловлена низкая прочность профильных стекловолокон?
Лекция 10. Органические и неорганические волокна
Арамидные волокна
Получение арамидных волокон
Свойства арамидных волокон
Борные волокна Боровольфрамовые волокна
Методы получения боровольфрамовые волокон
Волокна карбида кремния
Технология получения волокон карбида кремния
3.2. ОРГАНИЧЕСКИЕ И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ
ВОЛОКНА.
3.2.1. Арамидные волокна
Арамидные волокна – это химические волокна, получаемые на основе
линейных волокнообразующих полиамидов, в которых не менее 85%
80
амидных групп =NH непосредственно связано с двумя ароматическими
кольцами.
За последние годы было проведено большое число
исследовательских работ, в результате которых созданы
волокна на основе полностью ароматических полиамидов,
обладающие высокими прочностью, модулем и
теплостойкостью. Впервые эти волокна появились под
торговой маркой “Кевлар” фирмы “Дюпон” в 1971 г. Они
сохраняют высокие механические характеристики в
широком диапазоне температур и обладают хорошей химической
стойкостью.
Химическая структура. Волокна кевлар представляют собой поли-п-
фенилентерефталамид, являющийся продуктом поликонденсации
терефталоилхлорида и п-фенилендиамина.
Рис. 22 - Схема межмолекулярных взаимодействий в полимерном
субстрате Кевлар-49-кристаллизующийся полимер.
Волокна кевлар относятся к классу жесткоцепных
высокоориентированных полимеров. Поперек осей макромолекул,
совпадающих в основном с осью волокна, взаимодействие осуществляется
посредством водородных связей. Различие в энергии продольных
(ковалентных) и поперечных (межмолекулярных, водородных) связей
обуславливает высокую анизотропию механических свойств волокон кевлар,
в частности, большую “продольную” и довольно низкую “поперечную”
прочность волокна.
Ароматические кольца, придающие макромолекулам полиамида
высокую жесткость, способствуют также преимущественной ориентации
макромолекул вдоль одной оси, в результате чего возникают структуры,