Волокнистые композиционные материалы

Методы получения волокнистых композиционных материалов

Сочетание разных компонентов композита приводит к появлению нового материала, обладающего характеристиками, которые отличаются от характеристик отдельных составляющих и при этом не являющихся простой их суперпозицией. В составе композиционного материала выделяются матрица и наполнители. Посредством варьирования состава матрицы и наполнителя, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить широкий спектр материалов с необходимым набором свойств. Большинство композитов превосходят традиционные сплавы и материалы по механическим свойствам. Применение композиционных материалов позволяет уменьшить массу конструкции, при этом сохраняются или улучшаются механические характеристики.

Волокнистые композиционные материалы могут быть получены несколькими способами. К таким методам относятся:

1. Плазменное напыление.
2. Методы горячего прессования.
3. Пропитка пучков волокон расплавом с низкой температурой плавления.

В случае армирования непрерывными волокнами композиций типа «сэндвич», которые состоят из чередующихся слоев волокон и алюминиевой фольги, применяются прокатка, диффузионная сварка, горячее прессование, сварка взрывом. Отливка труб и прутков, которые армированы высокопрочными волокнами, осуществляется из жидкометаллической фазы. Пучок волокон проходит непрерывно через ванну с расплавом и пропитывается магнием, жидким алюминием или жидкой смолой, в случае изготовления полимерного материала, под давлением. На выходе из ванны волокна соединяются и затем пропускаются через фильеру, которая формирует трубу или пруток. Данный метод обеспечивает максимальное наполнение композиционного материала волокнами - до 85 %, непрерывность процесса, а также однородное распределение волокон в поперечном сечении. Для некоторых видов волокон разработаны процессы нанесения покрытий с целью обеспечения более лучшей окалиностойкости, смачиваемости, а также оптимального взаимодействия волокон с матрицей материала. Борные волокна способны защищать от реакции с расплавами титана и алюминия посредством создания на поверхности диффузионного барьера из карбидов бора или кремния. По причине хорошей способности углеродных волокон к окислению, на их поверхность наносятся специальные покрытия, а переработка осуществляется в защитной атмосфере.

Материалы матриц волокнистых композиционных материалов

Матрица должна обеспечивать монолитность материала, взаимное расположение армирующих волокон и фиксировать форму изделия. Ею обеспечивается равномерная нагрузка на армирующие волокна и ее перераспределение в случае разрушения их части. Материалом матрицы определяется технология изготовления изделия из композита. Требования к свойствам материала матрицы волокнистых композитов делятся на две группы:

1. Технологические.
2. Эксплуатационные.

К эксплуатационным требованиям относятся химические, физические и механические свойства, определяющие возможность эксплуатации композиционного материала в разных условиях. Прочность матрицы должна обеспечивать совместную работу всех армирующих составляющих. В случае нагрузок, которые приложены в направлениях отличных от ориентации волокон прочность композиционного материала определяется прочностью его матрицы. В процессе изготовления композита должны обеспечиваться ряд условий:

1. Прочная связь на границе раздела.
2. Равномерное распределение волокон.

Чтобы соблюдались вышеперечисленные условия матрицей должна обеспечиваться хорошая смачиваемость волокон. Данное свойство характеризуется растеканием жидкости по поверхности твердого тела - капля жидкости должна растекаться. Самыми распространенными материалами для матрицы волокнистых композитов являются углерод, полимеры и металлы. В качестве полимерных материалов для матрицы используются полиэфирные и эпоксидные смолы, некоторые термопластичные пластмассы. Матрица из углерода обладает высокими механическими характеристиками, низким коэффициентом температурного расширения и трения, высокими химической стойкостью и теплостойкостью. Матрица из металла характеризуется высокими значениями ударной вязкости, модуля Юнга и прочностных характеристик. В качестве металлических материалов для матрицы наиболее распространенными являются титан, алюминий, сплавы на их основе и магниевые сплавы. Для сплавов алюминия характерны пластичность и высокая технологичность, магниевые характеризуются меньшей плотностью, титановые обладают высокими модулем упругости и пределом прочности.