Структура композитов с полимерной матрицей

Композиты этого класса состоят из высокопрочных и высоко­модульных волокон - непрерывных или дискретных, органического или неорганического состава, связанных между собой полимерным связующим на основе термореактивных или термопластичных смол. Их называют пластиками с добавлением к названию материала наз­вания армирующих волокон.

Стеклопластики - это полимеры, наполненные стеклянными волокнами. Стеклянные волокна могут быть тонкими (диаметром 3-10 мкм), средними (30-50 мкм) и толстыми (150-200 мкм). В ком­позите они могут содержаться в виде отдельных толстых волокон, жгутов, нитей, сеток, тканей, лент, войлоков или матов. Изучая макроструктуру изделия из стеклопластика, можно установить вид армирующего наполнителя, а исследуя структуру под микроскопом, определить форму и размеры элементарного волокна. Форма его может быть сплошной или полой, цилиндрической, треугольной, квадратной, прямоугольной, шестигранной, ленточной и т.д.

Материал матрицы визуально может быть определен только опытным специалистом, а более точно - химическим анализом и физическими методами исследований. Чаще всего в производстве стеклопластиков используются термореактивные связующие (поли­эфирные, эпоксидные, фенольные, полиимидные и др.), но часто применяются и термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропи­лен, полистирол, полиамиды, фторопласты и др.).

Стеклопластики обладают высокими антикоррозионными и электроизоляционными свойствами, высокой прочностью при растя­жении и изгибе, средней жесткостью, радио прозрачностью, устой­чивостью к знакопеременным нагрузкам, хорошими теплозащитными свойствами.

Углепластики - это полимеры, наполненные углеродными во­локнами. Углеродные волокна имеют малый диаметр (6-12 мкм), круглое или бобовидное сечение и могут находиться в композите в виде нитей, жгутов, лент, тканей, войлока, трикотажных из­делий и др. Углеродные волокна, благодаря их низкой плотности (1900 кг/м³), обладают очень высокими удельными характеристи­ками прочности и жесткости, по показателям теплопроводности и электропроводности приближаются к металлам, обладают исключи­тельно высокой теплостойкостью и химической стойкостью к боль­шинству агрессивных сред.

Углеродные волокна обладают очень низким коэффициентом термического расширения, что позволяет изготавливать из угле-пластиков конструкции высокой размерной стабильности.

Существенным недостатком углеродных волокон является их низкая поверхностная энергия, отчего они плохо смачиваются по­лимерными связующими. Это проявляется, как следствие, в более низкой сдвиговой прочности композита. В качестве матриц для углепластиков применяют термореактивные и термопластичные связую­щие (как и для стеклопластиков).

Органопластики - это композиты, состоящие из полимерных волокон и полимерных матриц. Полимерные волокна могут быть при­родными (хлопок, вискоза) или синтетическими (капрон, лавсан, нитрон и др.), а матрицы - термореактивными, способными к хо­лодному отверждению или при температурах, не приводящих к раз­упрочнению волокон. Из них наибольшее значение для изделий ави­ационной и космической техники имеют органопластики на основе волокон из ароматических полиамидов (кевлар-49, СВМ) и эпоксидных связующих. Армирующие волокна имеют диаметр 10 - 12 мкм и характеризуются самыми высокими среди органических волокон значениями прочности и модуля упругости при плотности, не пре­вышающей 1450 кг/м.³Они не столь хрупки, как стеклянные или углеродные волокна, химически устойчивы к органическим раство­рителям и нефтепродуктам, обладают высоким электрическим сопро­тивлением, теплоизоляционными свойствами. В структуре органо­пластика арамидные волокна'могут содержаться в виде нитей, жгу­тов, тканей, трикотажа, матов и др.

Боропластики - это полимеры, наполненные борными волокна­ми. Борные волокна отличаются от выше рассмотренных большим ди­аметром (100-200мкм), большой изгибной жесткостью и прочностью, неравномерным составом по сечению. Сердцевина волокна диамет­ром 12 - 14 мкм состоит из вольфрама или углерода, далее сле­дует переходный слой из интерметаллидов и затем тело волокна, состоящее из бора. Борные волокна обладают повышенной тепло-и электропроводностью.

В качестве связующих в производстве боропластиков исполь­зуют преимущественно термореактивные смолы: эпоксидные, поли­эфирные, фенолформадегидные и др. Боропластики применяют в конструкциях, испытывающих большие напряжения сжатия или изгиба при нормальной или повышенной температуре. Боропластики отлича­ются большой дороговизной, поэтому рациональнее борные волокна использовать в составе полиармированных (гибридных) композици­онных материалов. Такие композиты могут содержать волокна самых различных сочетаний и количественных соотношений, приобретая все лучшие качества каждого из них. Кроме рассмотренных выше, рименяются полимерные композиты, наполненные металлическими проволоками, керамическими волокнами.