Характеристики композиционных материалов на полимерной, металлической и керамической матрице. Методы формования изделий из армированных пластиков. Формование прессованием и пропиткой в замкнутой форме. Принципы работы промышленной пултрузионной установки.
Аннотация к работе
Композиционными (от лат. compositio - составление) называются материалы, образованные путем сочетания двух химически разнородных компонентов (фаз), каждый из которых имеет конкретное функциональное назначение. Среди большого разнообразия полимерных композиционных материалов особое место по перспективности применения и разнообразию свойств занимают армированные пластики (АП), состоящие из двух фаз - полимерной матрицы и армирующего (усиливающего) волокнистого наполнителя. Матрица (от лат. matrix - матка, источник, начало) характеризует непрерывную фазу, которая часто (но не всегда) имеет более высокую долю по объему материала. Матрица обеспечивает монолитность материала и сохранение конфигурации изделия, передачу и распределение эксплуатационных нагрузок на армирующий компонент, сопротивление действию внешних факторов, защищает наполнитель от воздействия окружающей среды, определяет многие функциональные свойства и формирует межфазный слой при контакте с наполнителем. Армирующая фаза (от лат. armo - укрепляю, вооружаю) образуется совокупностью непрерывных волокнистых армирующих элементов в виде элементарных волокон, комплексных нитей, жгутов, лент и тканей с различной текстурой, а также коротких волокон со сравнительно небольшим отношением длины к диаметру в составе штапельных тканей, матов, бумаги и т.п.Стеклянные волокна (СВ) получаются из расплавленных стекломасс различного состава (температура 1200 - 1450°С) быстрым вытягиванием струи из фильер до получения волокон диаметром 3 - 100 мкм и длиной несколько десятков километров. Наиболее широкое применение для производства волокон находят стекла алюмоборосиликатного (Е-волокна) и магнийалюмосиликатного (S-волокна) состава. Е-волокна нестойки к действию сильных кислотных и щелочных сред и поэтому разработаны химически стойкие стекла: С-стекло; ECR - стекло (электрокоррозионностойкое) и AR-стекло (щелочностойкое). S-волокна по сравнению с E-волокнами, отличаются более высокой прочностью, жесткостью и теплостойкостью. Наибольшее распространение получили стеклопластики на основе высокопрочных тонких стеклянных волокон, которые подразделяются на материалы с ориентированным и неориентированным расположением волокон.Углепластики (УП) содержат в качестве наполнителя углеродные волокна. В зависимости от вида армирующего наполнителя, его текстурной формы и геометрических размеров УП подразделяются на три группы: углеволокниты на основе непрерывных ориентированных нитей, жгутов; углетекстолиты на основе тканых лент и тканей различных текстурных форм; углепрессволокниты на основе дискретных волокон. УП обладают высокой прочностью и жесткостью, низкой плотностью, химической инертностью, тепло - и электропроводностью, высокой усталостной прочностью, низким коэффициентом линейного термического расширения. Углеродные волокна (УВ) получают термической деструкцией в инертной среде или вакууме органических волокон, волокон нефтяных и каменноугольных пеков, фенольных смол и других углеродсодержащих исходных веществ. Процесс получения волокон включает высокотемпературную обработку (карбонизацию и графитизацию) органических волокон.ОП отличаются от типичных армированных пластиков полимерной природой обоих компонентов - волокна и матрицы. В зависимости от природы, структуры и уровня свойств волокнистого армирующего наполнителя ОП делятся на две группы: - органопластики на основе волокон, характеризующихся сравнительно невысокими прочностными свойствами (полиамидные, полиакрилонитрильные, полипропиленовые и др.); В качестве армирующих наполнителей в производстве ОП наиболее широко применяются арамидные волокна марки: СВМ, ВМН-88, Армос, Кевлар, Номекс, Фенилон, Русар, Терлон и др. Применение арамидных волокон в качестве шинного корда позволяет получить ряд преимуществ: снижение веса, повышение устойчивости при высоких скоростях качения, меньшее выделение тепла при пробеге, обеспечение надежности и долговечности. Для изготовления ОП применяют волокнистые армирующие наполнители различных структур: однонаправленные наполнители в виде комплексных нитей, жгутов, лент; слоистые наполнители тканой структуры; нетканые материалы из нитей и жгутов; объемные структуры (тканые соты, многослойные ткани); изотропные объемные структуры (холсты, маты).Армирование термопластов предполагает принципиально иной характер изменения их технических свойств, благодаря возможности обеспечения объема армирования не только на традиционном для отверждающихся композиционных материалов уровне, равном 50 - 60 %, но и существенном превышении данного показателя в высоко - и предельноармированных (до 100 %) термопластах. Для снижения вязкости используют такие технологические приемы, как пропитка растворами полимеров, повышение температуры расплава и снижение молекулярной массы полимеров. Проблему пропитки наполнителей решают повышением их смачивающей способности модификацией поверхности волокон (окисление, аппретирование и т.п.). Решение проблемы пропитки достигается также твердофазным совмещением волокон (нитей) с
План
Содержание
Введение
1. Стеклопластики
2. Углепластики
3. Органопластики
4. Базальтопластики
5. Термопластичные композиционные материалы
6. Методы формования изделий из армированных пластиков
6.1 Контактное формование и напыление
6.2 Формование под давлением
6.3 Формование прессованием и пропиткой в замкнутой форме
6.4 Формование намоткой
6.5 Пултрузия
Введение
Композиционными (от лат. compositio - составление) называются материалы, образованные путем сочетания двух химически разнородных компонентов (фаз), каждый из которых имеет конкретное функциональное назначение. При этом совместная работа разнородных материалов позволяет получить эффект равносильный созданию нового материала, свойства которого и количественно и качественно отличаются от свойств составляющих компонентов.
Среди большого разнообразия полимерных композиционных материалов особое место по перспективности применения и разнообразию свойств занимают армированные пластики (АП), состоящие из двух фаз - полимерной матрицы и армирующего (усиливающего) волокнистого наполнителя.
Матрица (от лат. matrix - матка, источник, начало) характеризует непрерывную фазу, которая часто (но не всегда) имеет более высокую долю по объему материала. Матрица обеспечивает монолитность материала и сохранение конфигурации изделия, передачу и распределение эксплуатационных нагрузок на армирующий компонент, сопротивление действию внешних факторов, защищает наполнитель от воздействия окружающей среды, определяет многие функциональные свойства и формирует межфазный слой при контакте с наполнителем. В качестве матриц используют термореактивные и термопластичные полимеры, природа которых определяет уровень рабочих температур композиционного материала, характер изменения эксплуатационных свойств, а также технологические приемы и режимы получения и переработки композитов в изделия. В производстве АП обычно используют термореактивные связующие на основе смесей линейных или разветвленных олигомеров с молекулярной массой 400 - 2000, а также термопластичные линейные или разветвленные аморфные или частично кристаллические полимеры. В состав полимерных матриц кроме армирующих элементов вводятся различные целевые добавки в виде отвердителей, катализаторов, ускорителей, стабилизаторов и др., обеспечивающие реализацию в композиционных материалах требуемых технологических и эксплуатационных свойств.
Армирующая фаза (от лат. armo - укрепляю, вооружаю) образуется совокупностью непрерывных волокнистых армирующих элементов в виде элементарных волокон, комплексных нитей, жгутов, лент и тканей с различной текстурой, а также коротких волокон со сравнительно небольшим отношением длины к диаметру в составе штапельных тканей, матов, бумаги и т.п. Короткие волокна могут быть расположены хаотически или иметь преимущественное направление ориентации. В большинстве случаев наполнитель имеет более высокую прочность по сравнению с матрицей, и основная роль армирующей фазы состоит в увеличении механических свойств композиционного материала.
Межфазный слой в композитах формируется за счет физического или химического взаимодействия полимерной матрицы с поверхностью наполнителя и оказывает существенное влияние на изменение свойств.
Вариацией числа, природы, объемного соотношения компонентов и схемы армирования можно в широких пределах изменять свойства и создавать материалы с уникальным сочетанием эксплуатационных свойств.
Свое название армированные пластики приобретают, как правило, по армирующему элементу: стеклопластики, углепластики, органопластики и др.
По направленности свойств различают изотропные и анизотропные композиционные материалы (табл.1). Изотропия, т.е. идентичность свойств во всех направлениях, достигается хаотичным распределением непрерывных или дискретных армирующих волокон. Анизотропия АП в зависимости от схемы армирования достигается в двух (однонаправленное, трансверсально-изотропное армирование), трех (двухмерное армирование) и большем числе направлений.
Примечание: * - в том числе лент и тканей; ** - направление ориентации пленок; *** - также в виде монокристаллов (усов) и нетканых материалов
Сочетание различных вариантов армирования позволяет получать композиты, армированные комбинированно путем чередования двух и более разновидностей армирующих элементов, например, тканей и волокон, волокон и нитевидных монокристаллов и т.п.
Отдельную группу образуют гибридные композиты, получаемые путем сочетания различных типов волокон, например, органических и углеродных, углеродных и стеклянных и т.п. Смешение различных волокон может производиться как на уровне одного слоя, так и путем чередования слоев на основе различных волокон. Некоторые гибридные композиты наполняют одновременно волокнами и частицами.
По объему армирования АП подразделяются на низкоармированные, армированные, высокоармированные и предельноармированные.
По эксплуатационному назначению АП подразделяются на конструкционные и функциональные (электротехнические, оптические, фрикционные, антифрикционные, тепло -, звуко -, газоизоляционные и т.п.).
По уровню прочностных свойств АП подразделяются на низкопрочные, прочные, высокопрочные и сверхвысокопрочные.
По способу переработки АП подразделяются на литьевые, экструзионные, прессовочные, штамповочные, намоточные и пултрузионные.